一种高强钢筋部分预应力混凝土梁变形性能的试验

作者：郑晓敏

   目前，许多研究机构和学者对部分预应力混凝土结构进行了大量的研究，但多为配置普通钢筋部分预应力混凝土构件的试验，而针对配置600MPa级高强钢筋作为非预应力筋的部分预应力混凝土梁试验研究还很少。

  600MPa级钢筋是一种新型的高强材料，其抗拉强度较高，能够显著提高部分预应力混凝土梁的抗弯承载力。同时，600MPa级钢筋是否可以实现构件的正常使用性能，尤其是变形性能，具有非常重要的研究意义。因此，本文进行了配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁受弯试验，以探讨其变形性能。

1试验设计

  本试验共设计了5根有粘结部分预应力混凝土梁，分别以钢绞线配筋率和非预应力受拉钢筋强度为变量参数。构件均为简支梁形式，截面尺寸为400mm×500mm，总长5100mm，计算长度4800mm。试验梁普通钢筋保护层厚度为30mm，预应力钢绞线形心距梁底为98mm。试验梁截面尺寸及配筋如图l所示，具体配筋情况见表1，混凝土及钢筋实测力学性能见表2、表3，预应力钢绞线参数见表4。试验加载方式为三分点对称集中加载，如图2所示。

2试验结果分析

2.1  试验现象及基本试验结果

  配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁的荷载与跨中挠度关系如图3所示，试验梁的变形性能与普通钢筋混凝土梁相似，挠度曲线大致分成三个阶段。试验梁开裂前，构件处于弹性变形阶段，随着荷载增加，挠度呈线性比例增长，且增长速率较慢。此阶段曲线斜率较大，表明构件抗弯刚度很大，且基本保持稳定。当试验梁开裂后，曲线出现第一个明显的转折点，曲线斜率也随之减小，可见构件逐渐进入弹塑性变形阶段。由于混凝土开裂，裂缝向上发展，试验梁抗弯刚度随之减小。当600MPa级钢筋屈服后，挠度曲线并不像普通钢筋混凝土梁那样立即出现第二个明显的转折点，这是因为预应力钢绞线承担了更多拉应力，有效地抑制了构件变形，且在一定程度上弥补了普通钢筋混凝土梁抗弯刚度的不足。随着荷载继续增加，构件变形急剧增大，挠度曲线斜率进一步减小，非预应力钢筋应变达到约10000με，构件宣告破坏。纵观整个试验过程，600MPa级钢筋与预应力钢绞线协同工作性能较好，

能够充分发挥其高强度，构件呈现明显的延性破坏特征。整个试验过程的实测特征荷载结果见表5。

2.2变形性能影响因素分析

  试验梁L1、L2、L3的荷载与跨中挠度关系对比如图4(a)所示。构件开裂前，三条曲线近似相同，这表明此阶段钢绞线配筋率对构件抗弯刚度影响很小，此时刚度主要是由构件截面形式和混凝土强度等级决定的。当各试验梁底部混凝土开裂后，各挠度曲线先后发生明显转折，且转折点出现次序随钢绞线配筋率增大而依次推迟。此时，同一荷载下，钢绞线配筋率越大，挠度越小，且挠度增长速率也随钢绞线配筋率增大而依次减慢。当600MPa级钢筋屈服后，挠度增长速率随钢绞线配筋率增大而减慢的规律愈加明显，最终构件破坏挠度值也随钢绞线配筋率增大而依次减小。综上所述，提高钢绞线配筋率可以有效提高构件的抗变形能力。

  试验梁IA、L5、L2的荷载与跨中挠度关系对比如图4(b)所示。构件开裂前，三条曲线基本重合，且第一个转折点位置比较接近。随后，构件挠度的增长速率加快，三条曲线斜率近似相等。随着荷载继续增大，试验梁l4和L5的曲线出现第二个转折点，试验梁L2的曲线没有发生明显转折。最终，与试验梁IA和L5相比，试验梁L2产生了更大的变形，这表明配置600MPa钢筋部分预应力钢筋混凝土梁变形能力较好，延性破坏特征更明显。

3挠度计算

  预应力混凝土受弯构件的挠度是由偏心预加力引起的上挠度（即反拱）和外荷载所产生的下挠度两部分所组成。由于试验构件从制作到进行试验时间间隔相对较短，所以计算挠度时构件刚度取短期刚度。

3.1反拱计算

  配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁在预应力钢绞线张拉完成后产生的反拱值主要由预应力产生的上拱值和试验梁自重产生的下挠度组成，并且在计算前者时，考虑到预应力钢绞线的应力松弛和混凝土的收缩、徐变尚未完全完成，所以在计算钢绞线预应力损失时不考虑这两方面的影响。

试验梁自重产生的跨中截面下挠度值：

预应力产生的跨中截面上拱值：

试验梁跨中截面反拱值：

  依据式(1)、(2)、(3)计算，各试验梁跨中截面反拱值见表6。

  对比试验梁L1、L2、L3可知，钢绞线配筋率越高，其反拱值越大。由计算公式可知反拱值与构件自重、截面特性、有效预压应力和换算截面重心到钢绞线的距离等因素有关，因此试验梁L2、LA、L5的计算反拱值相同。试验梁计算反拱值均控制在构件计算跨度的1/1000~0.5/1000范围内，表明试验梁截面特性、钢绞线配筋率等设计较为合理。

3.2正常使用阶段短期荷载作用下的挠度分析

3.2.1  挠度计算方法

  钢筋混凝土和预应力混凝土受弯构件，在正常使用极限状态下的挠度可根据相应的构件刚度采用结构力学的方法计算，所以本试验构件跨中挠度计算公式为：

式中：a为挠度系数，本试验取23/216；Mk为按荷载标准效应组合计算的弯矩值；ιo为计算跨度；Bs为受弯构件的短期刚度。

  由上式可知，挠度的计算主要就是刚度的计算。由于混凝土材料离散性较大，在试验的不同阶段刚度不断变化，而且开裂截面和非开裂截面处的刚度也不同，所以本文分别对构件开裂前和开裂后的刚度及挠度进行分析。

3.2.2  试验梁开裂前挠度分析

  我国现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》( JTG D 62-2004)（简称《桥规》）规定的预应力混凝土受弯构件开裂前的短期刚度Bs=0. 95EcIo而现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定的短期刚度Bs=0.85EcIo,所以本文分别采用以上两种短期刚度计算跨中挠度值fc1s,fc2s,并且将计算值与实测值fs进行对比分析，结果见表7。

  由表7可知，试验梁开裂前的跨中挠度实测值fs与计算值fc1s、fc2s基本吻合，fs/fc1s的平均值为0. 962，变异系数为0.132，而fs/fc2s的平均值为0. 861，变异系数为0.132。试验结果表明，采用《桥规》短期刚度计算的挠度值与实测值更接近，符合较好。依据《混凝土结构设计规范》计算的挠度值偏大，安全性更高，宜作为计算控制指标。

3.2.3  试验梁开裂后挠度分析

  试验梁开裂后，受拉区混凝土逐渐退出工作，构件抗弯刚度减小。根据现行《混凝土结构设计规范》( GB 50010-2010)7.2.3的规定：对于预应力混凝土受弯构件开裂后的抗弯刚度按照以下公式计算：

  试验梁破坏前挠度实测值与按式(5)计算的挠度值比较见表8。

  由表8可以看出，在屈服荷载作用下，试验梁跨中挠度实测值与计算值基本吻合，fs/fcs的平均值为0. 806，变异系数为0.050。而试验梁破坏前的跨中挠度实测值与计算值吻合较好，fs/fcs的平均值为0. 955，变异系数为0.076。试验结果表明，试验梁开裂后至破坏前这个阶段，构件抗弯刚度逐渐减小，采用《混凝土结构设计规范》规定的公式计算短期刚度合理，同时对于配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁也是适用的。

3.2.4  试验梁在加载过程中跨中挠度实测值与计算值对比分析

  图5为加载过程中试验梁跨中挠度实测值与计算值的对比。从图中可以明显看出，整个加载过程中，试验梁跨中挠度实测值与计算值吻合较好，表明配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁在开裂前后，分别按照现行《桥规》和《混凝土结构设计规范》计算短期刚度是合理的，且跨中挠度计算较为准确。

4  结论

  1)配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁的变形性能与普通钢筋混凝土梁相似，挠度曲线大致分为三个阶段。非预应力钢筋屈服后，构件仍然具有良好的塑性变形能力，600MPa级钢筋与预应力钢绞线协同工作性能较好，能够充分发挥其高强度，构件呈现明显的延性破坏特征。

  2)试验梁开裂前，构件抗弯刚度近似相同，挠度曲线没有明显区别。试验梁开裂后，随着预应力钢绞线配筋率增大，构件抗弯刚度依次增大，抗变形能力也随之增大。当非预应力钢筋屈服后，较400MPa级和500MPa级钢筋，配置600MPa级钢筋的构件产生了更大的变形，变形能力更好。

3)配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁开裂前，构件短期刚度宜按照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》( JTG D 62-2004)规定计算。开裂后至破坏前阶段，短期刚度可以按照现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）规定计算。跨中挠度可以参照本文公式(4)计算。纵观整个加载过程，试验梁跨中挠度实测值与计算值吻合较好。

5[摘要]通过配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁受弯试验，分析了试验梁的变形性能及其影响因素，探讨了不同阶段试验梁的短期刚度和挠度的计算。试验结果表明：配置600MPa级钢筋部分预应力混凝土梁变形性能良好，尤其在高强钢筋屈服后，构件仍具有较好的变形能力。同时，本文建议构件开裂前后的短期刚度宜分别按照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》和《混凝土结构设计规范》的规定计算，挠度计算值与实测值吻合较好。