悬臂变截面梁预应力损失试验研究

摘要：悬臂变截面梁的预应力损失计算目前还缺乏足够的试验验证和理论计算方法,本文结合深圳地铁1号线机场段后瑞高架站的悬臂变截面梁，对悬臂梁根部截面进行应力应变测试，结合实体空间有限元分析结果，验证了该悬臂梁的安全性，并给出了预应力损失的计算方法，可供相关人员参考。

中图分类号：TU394文献标识码： A

1 引言

当前，高速铁路、地铁及城市轻轨，已成为我国铁路运输业发展的重要战略。由于列车速度的提高和运输量的增大，地铁客站已不再是传统意义上的站房，而是现代化城市整体公共交通服务设施之一,必须有效合理地组织客流,在时间、空间上有机衔接,形成地下、地面和高架的综合交通枢纽，兼具交通运输和房屋建筑的双重功能[1]。

在组织方式上是立体的，比如下层是公路、公路上方是铁路、铁路上方是站房的形式。为了适应城市功能的需要，往往将桥梁的两端向外做成大的悬臂，上部站房屋盖支承在悬臂上，列车荷载和上部大跨度的房屋荷载都是直接施加在结构的悬臂部分。这种立体式综合交通枢纽属于桥—建组合式结构, 兼具建筑构件与桥梁构件的特征。对于这类结构的设计,目前没有独立的规范可依，要兼顾房、桥两专业的规范。但两类规范在材料强度的取值，荷载效应的组合方式以及检算条件方面都存在差异[2～4]。

为了保证这种悬臂变截面梁的结构安全性，对其是预应力损失进行研究是相当重要的。由于预应力损失受到混凝土和钢材性能、养护和湿度条件、预加应力的时间和大小以及预应力工艺等的影响，已有的预应力损失计算方法都具有一定适用范围，对悬臂变截面梁的预应力损失计算目前还缺乏足够的试验验证。本文结合深圳地铁1号线机场段后瑞高架站的悬臂变截面梁，对悬臂梁根部截面进行了应力应变测试，结合实体空间有限元分析结果，验证了该悬臂梁的安全性，并给出了预应力损失的计算方法，可供相关人员参考。

2 试验简介

2.1 工程概况

深圳地铁1号线机场段后瑞高架站主体结构地上三层，结构类型为框架结构，屋盖为轻钢结构，列车轨道梁坐落于轨道层预应力悬臂梁横梁上，如图1所示，悬臂梁的外挑长度约5.35米，为后张法部分预应力悬臂梁，预应力钢束锚下控制应力为1395Mpa，该悬臂梁直接承受上部列车荷载及上部钢结构荷载。

图1 列车轨道与悬挑梁的位置关系

2.2 传感器布置

图2 混凝土应变计在截面上的位置

采用埋入式混凝土应变计测试混凝土应变，其量程为±1500，灵敏度为1，带有温度修正功能。测试部位选在悬臂梁弯矩最大的根部截面，总计选取四个截面，编号分别为I(a)、I(b)、II(a)和II (b)。混凝土混凝土应变计在沿截面高度方向大致均匀分布，帮扎在普通钢筋上，混凝土应变计在截面上的位置如图2所示，现场埋设情况如图3所示。

图3 混凝土应变计现场埋设情况

3 试验结果及分析

现场检测3次，第1次是混凝土应变计现场绑扎完成后的检测，即初应变检测；第2次是在列车营运前，即无列车荷载时的检测；第3次是是在列车营运时，即有列车通过时的检测。图4为混凝土应变沿截面高度的分布情况。

由现场测试结果可知，无论有无列车通过，该悬臂梁根部截面均为压应变，截面的最大压应变在截面上部，最小压应变在截面下部，具体情况如下：

截面I(a)：无列车时，最大压应变为-294，最小压应变为-74；有列车时，最大压应变为-284，最小压应变为-79。

截面I(b)：无列车时，最大压应变为-284，最小压应变为-24；有列车时，最大压应变为-279，最小压应变为-29。

截面II(a)：无列车时，最大压应变为-312，最小压应变为-85；有列车时，最大压应变为-288，最小压应变为-95。

截面II(b)：无列车时，最大压应变为-342，最小压应变为-106；有列车时，最大压应变为-322，最小压应变为-111。

总的趋势是截面上部有列车时的压应变小于无列车时的压应变，而截面下部有列车时的压应变大于无列车时的压应变，但相差不大，说明列车荷载对结构受力的影响不大。

截面I(a)

截面I(b)

截面II(a)

截面II(b)

图4 混凝土应变沿截面高度分布

4 预应力损失计算

目前关于预应力损失的计算方法大致可以归纳为两类:

近似计算法：比如，ACI-ASCE委员会对混凝土弹性压缩、收缩、徐变和钢材的松弛引起的总损失值( 不包括摩擦及锚固损失) 做了规定；林同炎教授提了用张拉控制应力的百分比表达的总损失及各组成因素损失的平均值。

数值模拟法：数值模拟法又可分为初应变法、降温法、梁杆组合结构方法和等效荷载法。其中初应变法和降温法可以模拟预应力钢束的具置、可得到预应力钢束在任何荷载下的应力、可以模拟应力损失的影响，但是建模不方便，工作量较大，主要适用于有粘结预应力结构[7～9]。

4.1 近似计算法

（1） 钢筋与管道之间的摩擦损失

预应力筋曲线布置如图5所示，预应力钢束锚下控制应力为1395Mpa，管道类型为金属波纹管，取钢筋与管道壁之间的摩擦系数μ=0.26，每米管道对其位置的偏差系数k=0.003,从张拉端至计算截面的长度x=5.23m，从张拉端至计算截面的长度上，钢筋弯起角之和θ=0.192rad。

图5 预应力筋曲线布置

=88.67Mpa

（2）锚头变形、钢筋回缩和分块拼装构件的接缝压缩=158.5 Mpa

(3) 钢筋松弛引起的应力损失=65.1Mpa。

(4) 混凝土收缩和徐变引起的应力损失=20.91Mpa。

综上，预应力总损失为:

=+++=323.6Mpa

预应力钢束锚下控制应力为1395Mpa，其有效预应力为1071.4 Mpa ，预应力损失率为23.2%,略高于林同炎教授提出的后张法预应力构件20%的损失率。

4.2数值模拟法

混凝土采用SOLID95单元模拟，普通钢筋及预应力钢筋采用LINK8单元模拟，预应力通过初应变施加。其基本过程是，分别建立混凝土、钢筋（纵向钢筋）和预应力钢筋的几何模型，然后分别对混凝土部分、钢筋和预应力钢筋部分进行独立的单元划分，单元划分后采用耦合节点自由度将钢筋和预应力钢筋单元和实体单元联系起来。

图5 数值模拟与检测对比结果

为了解有效预应力大小，以及预应力损失对悬挑梁受力的影响，将不同有效预应力下的截面应变沿高度方向的计算值与检测值进行对比分析，如图5所示。从图中可以看出，越靠近截面底部，应变对预应力的敏感性越低，预应力损失为323MPa，即有效预应力为1071MPa时，截面中部以上的计算值和测试值基本接近，因此，该悬挑梁的预应力损失值约为323MPa，损失率约为23%，和近似计算法得出的结果相差不大。

5 结论

5.1 由现场测试结果可知，无论有无列车通过，该悬臂梁根部截面均为压应变，截面的最大压应变在截面上部，最小压应变下部。最大压应变测试值为342，约为混凝土的极限压应变的1/10, 说明该悬挑梁是安全的。

5.2 预应力悬挑梁的预应力损失采用近似计算方法和数值模拟计算结果接近，并且和实际检测结果吻合较好，近似计算法对于预应力悬挑梁的预应力损失计算可以满足工程需要。

5.3 后张法预应力悬挑梁的预应力损失率约为23%，略高于已有文献提出的后张法预应力构件预应力20%的损失率，在设计时应考率该损失对结构受力的影响。

参考文献

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