体外预应力简支梁试验研究

摘要：通过1根普通钢筋混凝土简支梁和1根体外预应力加固混凝土简支梁正截面静力加载试验，分析体外预应力加固对混凝土简支梁的提载效果影响，同时对其受力过程、破坏形态、承载力、延性和变形情况进行全程记录和分析。试验结果表明，体外预应力筋加固后，梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均有大幅度提高。

关键词：简支梁；体外预应力；提载效果；承载力；极限荷载

Abstract: by one reinforced concrete beams and one externally prestressed reinforced concrete simple beam cross-section static loading test, this paper analyzes the effect of externally prestressed force reinforcement on the concrete simple beam, and records and analyzes the whole process of bearing capacity, failure mode, ductility and deformation. The test results show that, after vitro prestressed reinforcement, crack load, yield load, and ultimate load of beams are greatly increased.

Keywords: simple beam; prestress; lifting effect; bearing capacity; maximum load

中图分类号：S969.1文献标识码A 文章编号

0 引言

体外预应力结构从二十世纪三十年展至今，其结构体系一直在不断的创新与改进。体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一，受力过程中体外预应力筋与混凝土在梁的绝大部分地方无接触。随着力筋的各种防腐措施渐趋完善，体外预应力筋的防腐已不十分困难，结构的安全性和耐久性得到保证，体外预应力混凝土桥梁得到了较大规模的发展。体外预应力加固即在受力构件的外侧采用外加预应力筋(粗钢筋、钢绞线或高强钢丝)，使体外预应力筋与构件共同作用，组成复合体系，对构件进行补强和加固，以提高受力构件的承载力、刚度和抗裂性能[1-3]。体外预应力加固法将卸载和加固结合在一起，可以较好地发挥新老构件协同工作的能力，克服其它加固法难以避免的应力应变滞后的问题，是一种有效的主动加固方法。工程实践表明，桥梁体外预应力加固技术具有如下优点：(1)能够较大幅度地提高旧桥承载能力，加固后所能达到的荷载等级与原桥设计标准及安全储备有关，一般情况下可将原桥承载力提高30％左右；(2)体外索加固技术所需设备简单，人力投入少，施工工期短，经济效益明显；(3)在加固过程中，可以实现不中断交通或短时限制交通；(4)对原桥结构损伤较小，可以做到不影响桥下净空，且不增加路面标高；(5)加固力筋的布置可以根据需要布置线型，而且力筋布置灵活，可以全梁加固也可局部加固。体外预应力混凝土梁的承载能力大小，受预应力度影响，并且随着结构的变形，由预应力增量而决定。一般来说，预应力筋的应力增量与结构的变形有直接的关系。在无粘结预应力梁中，无粘结筋应变的改变等于沿预应力筋全长周围混凝土应变变化的平均值。当控制截面受压区混凝土达到极限压应变时，无粘结筋中应变的增加比有粘结筋的要小，一般达不到屈服强度。根据应力—应变曲线关系，应力的变化是由应变引起的，而预应力筋的应变与梁体的变形有直接的关系。变形的大小就反映在结构的挠度上，结构的挠度增长越大，预应力筋的应力增量也就越大，结构临近破坏前，挠度的增长达到极限，预应力筋的应力达到最大值。

我国目前采用的加固方法有增大截面加固法、置换混凝土加固法、预应力加固法、外粘型钢加固法、粘贴纤维复合材加固法、粘贴钢板加固法、增设支点加固法等方法。对比之下，体外预应力加固法应用的较广泛。

本文进行了1根普通钢筋混凝土简支梁和1根体外预应力加固混凝土简支梁正截面静力加载试验，对加固后梁的承载能力进行了分析。

1 试验概况

试验设计了1根普通钢筋混凝土简支梁和1根体外预应力加固混凝土简支梁试件，试验梁的具体编号见表1。本次试验设计时，为了便于分析比较，两根试验梁采用相同的截面尺寸、长度、普通钢筋配筋率及混凝土强度等级。试件均为T型截面简支梁，混凝土梁长3.2m，计算跨度3.0m，T梁翼缘宽280mm、翼缘高80mm，肋板宽100mm、肋板高200mm，按“强剪弱弯”的原则进行设计。梁底部受拉纵筋2Φ12，压区钢筋4Φ8，箍筋在距支座1/3范围的弯剪区Φ6@100，跨中1/3的纯弯区Φ6@150。下部钢筋混凝土保护层厚度为30mm，上部钢筋混凝土保护层厚度为25mm。体外预应力筋对称布置于截面的两侧，为两根9.50mm为1860MPa高强钢绞线，力筋转向结构孔道中心距梁底为50mm。试件基本尺寸及预应力筋形式如图1所示。

表1 试验梁编号表

注：PTL代表普通梁，TYL代表体外预应力梁

普通钢筋配筋

PTL梁

(c) TYL梁

图1 试件基本尺寸及预应力筋形式

混凝土的设计强度等级为C40，每立方米砼中水:水泥:沙:石子为200:571:520:1159，由6个150mm×150mm×150mm的立方体标准试块在28天标准养护条件下测得其平均抗压强度实测为52.4MPa。实测Φ8抗拉强度为490 MPa，Φ12抗拉强度为545MPa，高强钢绞线抗拉强度为2015 MPa。

图2 混凝土立方体试块受压

转向块在体外预应力结构中的重要性不亚于锚具，它是除锚固构造外体外预应力筋在跨内唯一与混凝土有联系的构件，并担负着预应力筋转向的重要任务。在理论上，简支梁转向块应设置于应力巨变或变形较大处，连续梁转向块应设置于弯矩为零处附近。而实际上，转向块一般设置于跨中及其附近。本次试验采用的转向块为与梁整体浇注在一起的混凝土块，位置布置于两加载点处。

锚具采用夹片式锚具，实践证明对试验不利，分析其原因为夹片式锚具回缩比较大，锚具损失较大。在端部张拉端、锚固端(即锚头局压区)均需预先埋设钢板。预埋钢板尺寸以满足锚具尺寸和局部承压为原则确定，在需穿过扩大头的混凝土内预埋PVC套管。锚头局压区，经局部受压计算后，设置220mm×280mm×lOmm钢垫板即可避免梁端劈裂破坏，截面满足要求。

在施加预应力时，采用张拉端2根索同时张拉方式，试验时张拉控制应力为0.50fptk=0.50*1860N/mm2=930N/mm2，分级0.10fptk=186N/mm2张拉。张拉时，同时测量钢绞线的伸长量和梁顶混凝土应变，以防混凝土开裂。

试验加载按照静力试验单调加载的方法进行。通过液压加载试验机、分配梁施加集中荷载。荷载值由试验机自带的压力传感器连接TDS530应变采集系统测得，试验加载采用分级加载制度。具体过程为：开裂前每级荷载级差5.0kN，每级持荷3min~6min。在荷载达到极限承载力计算值的80%以前采用力控制，荷载达到极限承载力计算值的80%以后采用位移控制。