付豪　陳冠華　張躍　張笑塵　封征宇（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江　哈爾濱　150000）

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大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力梁正截面承載力研究概述

付豪陳冠華張躍張笑塵封征宇
（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150000）

摘要：根據(jù)國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究成果，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗(yàn)方法進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合大直徑高強(qiáng)鋼絞線的優(yōu)越性能，提出了一種大直徑高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁，并針對(duì)該新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了正截面承載力的研究分析。

關(guān)鍵詞：鋼絞線，預(yù)應(yīng)力混凝土梁，正截面承載力

0　引言

我國(guó)目前仍處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時(shí)期，經(jīng)三十多年的迅猛發(fā)展，建筑業(yè)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。鋼鐵材料始終是建筑結(jié)構(gòu)的主體材料，建筑用鋼材需求量較大，占鋼材消費(fèi)量的50%以上。由于我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的主要結(jié)構(gòu)材料是鋼筋混凝土，多年來(lái)鋼筋和線材一直在建筑用鋼消耗中占有較大比重。其中，主要以500 MPa級(jí)以下的中低強(qiáng)鋼筋為主，極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值高可達(dá)1 960 MPa的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋所占的比重極小。建筑業(yè)作為資源消耗量較大行業(yè)之一，要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就必須調(diào)整建筑材料消耗結(jié)構(gòu)，大力推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋，走節(jié)約型發(fā)展道路。

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自誕生以來(lái)已經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)和眾多工程實(shí)踐的考驗(yàn)。其理論分析、基本性能研究、方案探索、構(gòu)造設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等方面已有顯著成果，科學(xué)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性不言而喻。并且世界各國(guó)興建了很多有代表性的預(yù)應(yīng)力工程建筑物，這些都說(shuō)明預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)己在世界土建工程中顯示了強(qiáng)大的生命力和吸引力，值得我們深入研究并獲得更多的收益。

1　國(guó)內(nèi)外大直徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究現(xiàn)狀

和普通鋼筋混凝土梁相比，應(yīng)用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋的混凝土梁具有更大的承載力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)大直徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線混凝土梁進(jìn)行了詳細(xì)研究，對(duì)梁正截面極限承載力、裂縫開(kāi)展和截面破壞形態(tài)等方面進(jìn)行了分析。

陸洲導(dǎo)、張士鐸［1］對(duì)5根無(wú)粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，核實(shí)了無(wú)粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的正截面承載力強(qiáng)度問(wèn)題。通過(guò)理論分析推導(dǎo)出了梁極限破壞時(shí)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的計(jì)算公式并且考慮了跨高比和附加非預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)此項(xiàng)應(yīng)力的影響，提出了無(wú)粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁正截面強(qiáng)度的計(jì)算方法。

宋永發(fā)、王清湘、趙國(guó)藩等［2］進(jìn)行了15根單調(diào)荷載和11根低周重復(fù)荷載作用下的無(wú)粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土梁的實(shí)驗(yàn)研究并探討了綜合配筋指標(biāo)、跨高比、荷載作用方式等等因素對(duì)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量和極限承載力可能帶來(lái)的影響。得出了兩種無(wú)粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土梁正截面極限承載力的計(jì)算公式，做出的相應(yīng)的驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，表明公式可以使用。

王鵬［3］對(duì)12根高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了兩點(diǎn)對(duì)稱同步分級(jí)集中加載抗彎性能試驗(yàn)。觀察了構(gòu)件從開(kāi)裂到喪失承載力的全過(guò)程并分析了各階段鋼筋的承載力、撓度、延性、裂縫寬度。得出了高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土預(yù)應(yīng)力梁的延性隨著預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比和換算配筋率的增大而降低，隨著受壓非預(yù)應(yīng)力筋指數(shù)、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和體積配箍率的增大而增大的結(jié)論。

張利梅［4］對(duì)一塊跨度為16 m的空心板分別采用C80高強(qiáng)混凝土和高均勻延伸率低松弛1860級(jí)鋼絞線的空心板梁進(jìn)行原型試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)正截面受力性能進(jìn)行了全面的論證，得出了采用高均勻延伸率低松弛1860級(jí)鋼絞線可有效地提高空心板梁的延性的結(jié)論。

葉覺(jué)明、張?zhí)?、鮮榮等［5］結(jié)合國(guó)內(nèi)外各工程案例，對(duì)1960級(jí)鋼絲的使用情況、使用效果和相比普通鋼絲的優(yōu)點(diǎn)等方面做出了詳細(xì)的調(diào)查研究。得出了1960級(jí)鋼絲可以有效地減少橋上纜繩鋼絲用量、減少主纜耗材和風(fēng)阻、減小鋼筋直徑并極大提高承載力等優(yōu)點(diǎn)的結(jié)論。提出可能需要對(duì)1960級(jí)鋼絲進(jìn)行熱處理強(qiáng)化、有效韌化等處理手段以保證其使用穩(wěn)定。

郭俊平、鄧宗才、林勁松等［6］進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)加固鋼筋混凝土板的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)三塊不同預(yù)應(yīng)力水平加固板、一塊非預(yù)應(yīng)力加固板和一塊對(duì)比板進(jìn)行抗彎試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絞線加固技術(shù)解決了非預(yù)應(yīng)力加固方法鋼絞線應(yīng)變滯后、發(fā)生剝離破壞、高強(qiáng)度利用率低等缺點(diǎn)，也表明了此項(xiàng)技術(shù)是一種主動(dòng)高效的加固技術(shù)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

楊春滿、朱永勝、張紅軍等［7］通過(guò)對(duì)礦用大直徑錨索進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明大直徑錨索在高地壓和頂板破碎的困難巷道中起到了良好的支護(hù)作用，減少了設(shè)備維修量，杜絕了頂板事故的發(fā)生，這些優(yōu)點(diǎn)都與其中高強(qiáng)鋼絞線的應(yīng)用有關(guān)。

胡頌華［8］對(duì)采用高強(qiáng)鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁的某酒店進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。通過(guò)檢驗(yàn)和對(duì)比分析，得出了應(yīng)用高強(qiáng)鋼絞線的大跨度建筑結(jié)構(gòu)抗裂度和耐久性都得到了顯著提高的結(jié)論。

綜上所述可知，在科技迅猛發(fā)展的今天，大直徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋在各個(gè)方面都有很大的發(fā)展空間，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸一定的條件下，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可跨越更大的跨度，在跨度一定的條件下，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)較小的截面尺寸。通過(guò)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可使高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度充分發(fā)揮。在建筑工程方面，采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋在“大（大跨度、大面積）、高（高層）、重（重荷載）、特（特種結(jié)構(gòu)、特殊需要）”結(jié)構(gòu)建造中作用巨大。在橋梁工程、地下工程、隧道工程中，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋也在得到廣泛的應(yīng)用，值得我們?nèi)榇颂剿鳌?/p>

2　大直徑高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究方案

參考借鑒相關(guān)文獻(xiàn)和資料，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)方案，通過(guò)對(duì)大直徑高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁正截面承載力、破壞形態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究采用1960級(jí)鋼絞線和C50混凝土對(duì)梁正截面承載力的影響，確定最佳混凝土配比與鋼筋配置方案，得出使用大直徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的可行性。

2.1創(chuàng)新點(diǎn)

1）加強(qiáng)高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋的使用，為我國(guó)土木建筑工程中高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋的科學(xué)化與規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)，為具有節(jié)能減排低碳環(huán)保的綠色建筑提供技術(shù)支撐。

2）國(guó)內(nèi)關(guān)于高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力筋的使用和發(fā)展的研究，尚未見(jiàn)成型體系與具體的報(bào)道。

3）進(jìn)行構(gòu)件相關(guān)受力性能試驗(yàn)和有限元分析，為建立相關(guān)理論基礎(chǔ)提供試驗(yàn)依據(jù)，這將有利于高強(qiáng)度鋼筋鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土的推廣和使用，從而達(dá)到較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

2.2大直徑高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁正截面承載力試驗(yàn)

制作鋼筋混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，構(gòu)件的尺寸為6 000 mm× 200 mm×400 mm（l×b×h），高強(qiáng)鋼絞線采用1960級(jí)鋼絞線，普通鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，混凝土采用C50級(jí)混凝土。采用后張法對(duì)1960級(jí)鋼絞線進(jìn)行張拉。梁布置方式如圖1所示。

圖1　梁試件構(gòu)造圖

本實(shí)驗(yàn)為三分點(diǎn)靜載實(shí)驗(yàn)，利用千斤頂施加豎向荷載，應(yīng)變片、位移計(jì)和靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鋼筋與混凝土的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變、撓度和豎向荷載進(jìn)行量測(cè)，加載設(shè)備和量測(cè)裝置如圖2所示。

圖2　加載設(shè)備和量測(cè)裝置示意圖

2.3試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析

通過(guò)以上試驗(yàn)，觀察大直徑高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的破壞現(xiàn)象和破壞形態(tài)，記錄極限拉應(yīng)力、極限壓應(yīng)力、撓度、鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變、位移等參數(shù)。利用Abaqus軟件建立有限元模型并分析構(gòu)件的承載能力且隨著荷載的增加，分析構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展情況。對(duì)比普通鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力、變形情況、裂縫分布情況等因素得出最優(yōu)的鋼絞線配置方案?？偨Y(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出采用大直徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的可行性分析。

3　結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)大直徑高強(qiáng)鋼絞線的優(yōu)越性能，提出了一種大直徑高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁，并借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的研究方法，針對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)的性能和影響因素等方面的研究進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

2）高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為目前仍大量應(yīng)用的HRB335級(jí)鋼筋的4.7倍，作為主導(dǎo)鋼筋的HRB400級(jí)鋼筋的3.9倍、HRB500級(jí)鋼筋的3.2倍，已研發(fā)成功的HRB600級(jí)鋼筋的2.7倍，相比普通鋼筋抗拉強(qiáng)度具有更大優(yōu)勢(shì)。采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋作為受拉材料用于混凝土梁底部受拉區(qū)切實(shí)可行。

3）在普通混凝土梁中使用大直徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線能夠使梁的正截面承載力顯著提高，充分發(fā)揮受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度和受拉區(qū)鋼絞線和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度，提高梁的承載性能，彌補(bǔ)因跨度過(guò)大和鋼筋強(qiáng)度過(guò)低帶來(lái)的承載力不足的影響，有利于梁綜合性能的提高，也順應(yīng)了當(dāng)代節(jié)能環(huán)保綠色建筑的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］陸洲導(dǎo)，張士鐸.無(wú)粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁正截面強(qiáng)度的研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1992（6）：1-9.

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［7］楊春滿，朱永勝，張紅軍，等.礦用大直徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（12）：59-62.

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Research on right section’s loading
capacity of large-diameter steel strand prestressed beam

Fu Hao Chen Guanhua Zhang Yue Zhang Xiaochen Feng Zhengyu
（Northeast Forestry University，Harbin 150000，China）

Abstract：According to research results of tests at home and abroad，the paper sums up the experimental methods for the prestressed concrete beam，puts forward the sort of large-diameter steel strand prestressed beam by combining with its advantageous performance，so as to right section loading capacity the research and analysis of the new structure.

Key words：steel strand，prestressed concrete beam，right section loading capacity

中圖分類號(hào)：TU378.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0061-02

收稿日期：2015-12-15

作者簡(jiǎn)介：付豪（1994-），男，在讀本科生；陳冠華（1995-），男，在讀本科生