横张预应力砼梁关键部位受力性能研究

宋常利

(东北石油大学秦皇岛分校建筑工程系,秦皇岛066004)

横张预应力混凝土技术属于后张有粘预应力混凝土类型,由重庆交通学院周志祥教授提出[1]。与常规预应力混凝土相比,横张法改传统的纵向张拉为横向张拉,降低了对设备张拉能力的需求,改专用传统锚具为混凝土的粘结锚固,改预留孔道为预留明糟,从而节省了波纹管、灌浆材料、锚具、锚下加强钢筋及部分预应力钢筋,避免了由管道摩阻引起的预应力损失,避免了管道压浆质量不定性及其造成的危害。2004年王世良[2]横张预应力技术在荣经大桥中的应用研究课题,首次成功应用于箱型梁中,但这种技术尚未在房屋建筑领域当中应用。本文在总结已有研究成果的基础上,对横张预应力混凝土结构在房屋建筑中的应用进行了研究。

1 有限元模型建立

ANSYS模型中用SOLID65单元模拟梁柱混凝土,LINK8单元模拟纵筋、箍筋,SOLID45模拟定位钢板、钢插销和加载垫板。模型中单元数分别为：SOLID65单元31 462,LINK8单元1 198,SOLID45单元28。单元数共计32 688,节点数共计27 666,总质量为395.70kg。

SOLID65单元的KEYOPT(1)设置为0,考虑形函数的附加项,以保证计算结果的精度;KEYOPT (7)设置为1,采用缺省的拉应力释放系数Tc=0.6以利于收敛。混凝土破坏准则的参数通过命令TB,CONCR和TBDATA输入,张开裂缝剪力传递系数βt=0.5,闭合裂缝的剪力传递系数βc=0.95。由于打开混凝土压碎设置后,即便应力水平还未达到混凝土压碎应力时收敛就变得十分困难,而且定义了混凝土的应力-应变曲线后,该选项对计算结果的影响不大,所以分析时关闭混凝土的压碎选项,只考虑混凝土的开裂。混凝土材料参数见表1。

钢材的应力-应变关系采用双线性等向强化模型BISO,钢筋屈服后弹性模量取弹性阶段的0.01倍。钢材参数见表2,图1～图4为各钢材的应力-应变关系曲线。

表1 混凝土材料参数表Tab.1 The parameters of concrete material

表2 钢材参数表Tab.2 The parameters of steels

根据结构和荷载的对称性,取混凝土梁的1/4部分进行建模,在其两侧边加上对称约束,以消除切向位移。利用对称性可以节约计算机内存,以便在有限的计算机容量下,把单元划分得更细,提高计算精度。建立的有限元模型见图5。

单元划分采用映射网格划分(mapped meshing),每个单元均为六面体,该方法生成的网格相互之间是呈规则排列的,分析结果的精度较高。为了实现混凝土和钢筋的组合,要求混凝土单元和钢筋单元共用节点,可采用体分割法或独立建模耦合法来实现。本文采用先分别建立混凝土和预应力钢筋模型,而后对其网格划分,对预应力筋采用降温法模拟预应力效应。而后采用独立建模耦合法,使混凝土单元和钢筋单元共用节点共同作用。对张拉定位后横张预应力混凝土梁的网格划分如图6所示,以及考虑耦合和边界条件后有限元模型如图7所示。

2 梁体和粘结锚固区受力分析

横张预应力是依靠预应力筋与混凝土的粘结实现对预应力筋的锚固[3]。预应力筋必须留有足够长度,以便应力在纵向充分传递;此外,粘结锚固区混凝土的应力较为集中,若混凝土开裂失效,预应力筋将被拉断,预应力筋过长则没有意义,反而浪费材料。选取合适的预应力筋锚固长度,显然是首先应解决的问题。为了建立钢筋混凝土之间的粘结应力τ和相对滑移s的关系,许多学者进行了大量的试验量测,并试图建立起有代表性的经验公式。目前比较公认的是 Nilson、Houde&Mirza、东南大学宋启根教授和清华大学滕智明教授等人提出的经验公式[4]。徐有邻[5]根据试验给出了预应力筋的最小锚固长度和传递长度,并与规范[6]进行了对比。文献[7]根据钢绞线的拉应力达到屈服强度时钢绞线与混凝土之间的粘结力尚未破坏提出了最小锚固长度的简化公式(1),并建议L取120d。

式中Rτ—钢绞线与混凝土之间的平均粘结应力,参照规范Rτ取4.0;σs—绞线的屈服强度。

本文中计算模型用的预应力钢筋采用高强低松弛钢绞线直径和参考文献[8]和[9]是一样的。本章建立在张拉定位后横张预应力混凝土梁计算模型以及张拉过程中计算模型,验证预应力钢筋在粘结锚固区的长度取值分别为90cm,120cm和150cm时对混凝土梁受力反应的影响。本章图表中所指的“张拉处梁底”情况是：在张拉到位、尚未锚固前横张预应力梁在张拉设备张拉处的应力或位移。未注明“张拉处梁底”的其他情况都是指在张拉锚固后的应力和位移。

对于混凝土拉压不同性、开裂压碎等特性,一般的弹塑性本构关系无法反映其材料特性。一般的材料本构关系只能定义对称参数,即拉压对称,受拉和受压的屈服水平等同,而混凝土抗拉强度一般不足抗压强度的十分之一,而在复杂结构当中混凝土不可能只处于单向受力状态,拉压的同时存在,使分析者很难定义混凝土材料的本构关系。若取抗拉强度为屈服强度,无疑会大大降低混凝土结构的承载能力;而取抗压强度做屈服点,又必然会提高结构的承载能力。

为加快收敛性,本文将混凝土有限元单元Sol-id65压碎开关关闭,导致计算模型中混凝土梁的第一主应力和第三主应力超过了允许值。另外,没有建立普通钢筋-纵向钢筋和箍筋的有限元单元也使得梁的能力有所下降。但从研究三个关键部位的角度看,仍有一定的参考价值。

在张拉到位、尚未锚固前以及张拉定位后,采取不同锚固长度作用下混凝土梁的整体以及各主要部位-锚固区域、转折区域、插销区域、跨中区域和张拉处梁底的第一主应力和第三主应力列于表3;沿着断面处路径应力情况对比见图8。

从表3不同锚固长度时混凝土梁主应力对比可见,锚固长度在90cm～150cm之间混凝土梁的应力都相当接近,且在120cm时应力要稍小些,表明锚固长度取120cm是比较合理的。

从图8不同锚固长度时锚固区域预应力钢筋附近混凝土路径应力对比可以看出,第一主应力和第三主应力都集中在预应力钢筋转折处附近混凝土,且在很小的范围应力内就骤减,符合粘结滑移的应力分布。

3 结论

1)锚固长度在90cm～150cm之间混凝土梁的第一主应力和第三主应力都相当接近。在120cm时应力要稍小些,表明锚固长度取120cm是比较合理的。

表3 不同锚固长度时混凝土梁主应力对比Tab.3 The concrete beam stress at different anchorage length

2)从混凝土梁第一主应力和第三主应力云图以及梁横断面的应力情况对比可看出,在张拉到位、尚未锚固前和张拉定位后混凝土梁应力集中比较明显,主要发生在梁的三个关键部位：预应力钢筋转折区域混凝土处、插销区域混凝土以及张拉处梁底混凝土,尤其是在定位钢板处的混凝土在很小的范围内就骤降到很小的值。由于计算模型的压碎开关关闭导致这几处的第一主应力和第三主应力早已超过了混凝土的相应允许值。说明混凝土已经在局部区域发生拉裂和压碎,但整个混凝土梁的大部分区域应力较小。

3)在不同锚固长度时各钢材部件应力对比可见钢材应力很接近,锚固长度对其影响不大。

4)张拉力达到94kN时反拱度为4.55mm,与本文计算模型中的张拉力达到96kN时的反拱度为4.47mm相当接近。说明本文很好的模拟了张拉过程中混凝土梁的反应特性。

5)锚固长度越大其跨中挠度(竖向位移与跨度比值)越小,说明锚固长度对反拱度和挠度有一定的影响。

6)在张拉过程中,裂缝发育情况很接近,大部分分布在定位钢板处混凝土、插销处混凝土以及张拉处梁底混凝土。对于这三个关键部位,可以通过增设钢筋网片等措施来加强其附近混凝土的抵抗能力。

[1]重庆交通学院横张预应力混凝土课题组.横张预应力混凝土技术在T型桥中的应用研究报告[R].1999.

[2]王世良,周志祥.横张预应力技术在荣经大桥中的应用研究[EB/OL].中国技术专家网

[3]沈聚敏,王传志,江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分析[M].北京：清华大学出版社,l993.

[4]胡晓伦,周志祥.横张预应力砼梁关键部位的应力分析[J].重庆交通学院学报,2004(1)：95-106.

[5]徐有邻,朱龙.钢绞线基本性能与锚固长度的试验研究[J].建筑结构,1996(3)：34-38.

[6]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[7]周志祥.预应力混凝土梁受载行为研究与新技术探索[D].重庆：西南交通大学,1998.

[8]杨勇.横张预应力混凝土梁受弯性能试验研究[D].重庆：重庆交通学院,2003.

[9]郑升宝.横张预应力混凝土梁抗剪性能的试验研究[D].重庆：重庆交通学院,2003.