1、第 29卷 第 3期2009年 8月桂 林 工 学 院学 报JournalofGuilinUniversity ofTechnologyVol?29No?3Aug?2009文章编号:1006-544X(2009)03-0346-05体外预应力加固钢筋混凝土连续梁受力性能与计算分析曹?霞,覃荷瑛,付?强(桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西 桂林?541004)摘?要:通过 4根钢筋混凝土连续梁体外预应力加固试验,对预应力加固连续梁的裂缝、挠度、承载力等受力性能进行研究,提出预应力加固连续梁极限承载力的影响因素,并对预应力加固连续梁的计算进行了分析。试验证明:预应力加固钢筋混凝土连续梁能使其刚
2、度和抗裂性能有较大的提高,并能有效地提高加固梁的受弯承载力;加固梁混凝土强度等级、预应力筋的线形、施加预应力大小和二次效应的作用对预应力加固连续梁极限抗弯承载力都有较大的影响,预应力加固设计时必须综合考虑。关键词:体外预应力;混凝土连续梁;加固中图分类号:TU375?1?文献标志码:A体外预应力技术已经在混凝土结构中得到广泛应用,并且成为加固既有混凝土结构最有效的方法之一,但是在体外预应力加固混凝土结构技术方面,工程实践已经超前于理论发展。近年来,对体外预应力加固混凝土简支梁和混凝土框架梁的研究较多,而对加固混凝土连续梁的研究较少,本文通过混凝土连续梁体外预应力加固试验和相应分析,研究了体外预
3、应力加固混凝土连续梁的力学性能和变形规律,为进一步研究体外预应力混凝土结构设计提供了理论分析的依据。1试验概况1?1试件制作本次试验设计制作了 4根连续梁,编号为 LL1 LL4,考虑到混凝土强度等级、线形布置等对梁受力性能的影响,其中试件 LL1和 LL2为 C20混凝土强度等级,LL3和 LL4为 C30混凝土强度等级,LL1和 LL3为一折体外预应力筋布置,LL2和LL4为二折体外预应力筋布置。两跨连续梁跨度为2 500 mm,截面尺寸为 b?h=150mm?250 mm,梁架立筋 2 f10,梁上、下受拉钢筋均为 2 f14,预应力筋为 2 fS12?7(AP=198?73 mm),采
4、用的张拉设备是千斤顶(尖嘴)YDC240Q。为防止在端部锚具处发生局部受压破坏,梁端部截面得到加强,试验梁配筋详见图 1。1?2试验方法试验梁加载采用三分点处两点加载,加载装置为液压千斤顶,加载方式和加固过程主要分 3个阶段进行:先对原梁逐级加载至正常使用阶段,并使裂缝宽度大于 0?3mm 或挠度超过允许值,张拉体外预应力筋对梁进行加固,张拉完预应力筋并将梁上荷载卸至零以后,对梁进行第二次逐级加载直至破坏失效。在整个试验过程中,对混凝土、钢筋和钢绞线的应变进行了记录,同时对梁加固前后裂缝、变形、极限承载力等进行了观察和测量。2试验结果及性能分析2?1试验结果原钢筋混凝土连续梁承载力较低,采用折
5、线预应力筋加固,试验梁的受力状态发生了明显变化,?收稿日期:2008-05-27?基金项目:广西自然科学基金资助项目(桂科自 0833255、0447095);广西建筑工程检测与试验重点实验室基金项目(桂科能 07109005-16);桂林市科学研究与技术开发项目(市科 2008 51)?作者简介:曹?霞(1965),女,副教授,研究方向:结构工程及加固研究,E?mai:lcaoxia_6510 163?co m。图 1?体外筋一折线型连续梁(a)与体外筋二折线型连续梁(b)配筋图Fig?1?Plan of the test bea m reinforce ment图 2?连续梁试验装置Fig
6、?2?Test apparatus of continuous bea m裂缝闭合、挠度减小,混凝土和非预应力钢筋的应力、应变减小,同时有次内力产生。根据试验测试数据,绘出 4根连续梁的跨中荷载-挠度曲线和钢绞线荷载-应力曲线,详见图 3。加固后的连续梁继续施加荷载,试验结果表明:中间支座和跨中截面的抗裂荷载明显提高,抵抗变形能力增大,抗弯承载力也有较大提高。加固梁的加固效应、未施加预应力的开裂弯矩、施加预应力后的重开裂弯矩、预应力筋极限应力图 3?试验梁跨中荷载-挠度曲线(a)与 LL1钢绞线荷载-应力曲线(b)Fig?3?M idspanload-deflection curves of
7、the testpieces(a)and load-stress curves of the steel strand LL1(b)347第 3期?曹?霞等:体外预应力加固钢筋混凝土连续梁受力性能与计算分析和加固梁的极限承载力详见表 1。4根试验梁的破坏形态,首先在中间支座截面弯矩较大处出现裂缝,随后跨中下部出现裂缝,随着荷载的增加,裂缝不断加宽并向梁中和轴延伸,最终正弯矩区梁顶混凝土被压碎发生破坏,破坏形态属适筋梁延性破坏,LL2裂缝示意图详见图 4。表 1?加固梁的加固效应、开裂弯矩和极限荷载Table 1?Reinforce m ent effec,t cracking mo m ent
8、 and u ltm i ate load of the reinforced bea m s梁号加 固 效 应开裂弯矩重裂弯矩跨中?减小/mm?闭合/mm s降低值/(N!mm-2)M0cr/(kN!m)M0cr/(k N!m)M0crs-M0c rM0cr/%预应力筋的极限应力 0pu/(N!mm-2)极限荷载原梁Pu/kN加固梁P0us/kNP0us-PuPu/%LL11?10?25105?56?7810?1048?961 098?590?76114?325?94LL21?20?27127?66?6510?6860?601 105?090?76122?7535?25LL31?10?245
9、1?68?2312?5852?861 205?291?78134?1546?16LL41?30?2663?68?1613?2161?881 235?791?78140?9053?52?注:表中带上标 0#的数据为试验值;以上数值均指加固梁跨中。图 4?梁 LL2的裂缝Fig?4?Cracks on Bea m LL22?2性能分析从加固梁的受力全过程特征曲线和试验中观察到的结果,反映出体外预应力加固连续梁具有以下受力性能与特点。2?2?1?加固梁的裂缝变化?开始施加预应力时,正弯矩和负弯矩裂缝宽度随预应力的增大而减小,至预应力筋施加完成时,裂缝宽度明显减小,大部分裂缝闭合。采用一折预应力筋的
10、LL1裂缝闭合为 50%,采用二折预应力筋的 LL2裂缝闭合为70%,说明二折预应力筋的加固效果优于一折预应力筋。继续加载时裂缝的发展主要表现为宽度和延伸高度的变化,基本没有新裂缝出现。加固梁的抗裂能力的提高程度与原梁破坏程度有很大关系,如果开裂过大,塑性变形较大,抗裂度提高程度变小 1。2?2?2?加固梁的挠度变化?一折预应力筋的 LL1和二折预应力筋的 LL2在加固前施加荷载时挠度基本相同,施加预应力后产生的反拱值明显不同,LL1的挠度减小为 35%,LL2的挠度减小为 60%,说明合理的线形布置可以有效减小跨中挠度。2?2?3?原梁钢筋和体外预应力筋受力规律?施加预应力后,体外预应力筋替
11、原梁钢筋承担掉一部分应力,继续增加荷载,体外预应力筋应力的增长速度小于原梁钢筋应力的增长速度,这是由于体外预应力筋应变沿自由长度均匀分布,不与同截面混凝土及原梁钢筋的应变变化协调造成的 2。体外预应力筋的应力增量变化规律为:在混凝土开裂之前,体外预应力筋的应力增量很小,在混凝土开裂后,随着挠度的加大,预应力筋的应力逐渐增大,临近破坏前预应力筋的应力达到最大值,构件破坏时原梁钢筋屈服,预应力筋未达到条件屈服强度。2?2?4?加固梁极限承载力?从表 1可以看出,加固梁极限承载力比原梁提高 25%53%,主要因为截面的用钢量增加,预应力钢筋的内力臂加大。2?2?5?预应力加固连续梁引起的次内力?预加
12、应力作用下,中支座反力减小,边支座反力增加,说明预应力加固连续梁存在次反力,其方向为中支座处向下,边支座处向上。在加固梁内产生沿跨长线形变化的次弯矩 3。3影响预应力加固连续梁极限抗弯承载力的因素3?1?混凝土强度等级的影响采用相同线型加固的两种强度的混凝土梁,LL1、LL2承载力提高的幅度为 25%、35%,而强度为 C30的 LL3、LL4承载力提高了 46%、53%,详见表 1。由此可见,由于原构件混凝土强度的不同,加固后承载力提高程度有所不同。总体来说,梁在进行预应力加固后承载力有了较大幅度的提高。通常情况下,由于体外预应力加固混凝土梁的加固效果受张拉控制应力的影响,而张拉控制应力又有
13、所限制,所以在继续受荷以及极限荷载348桂?林?工?学?院?学?报?2009年下,混凝土的抗压强度将是影响结构承载力的重要因素之一,试验结果充分证明了这一点。3?2?预应力筋形状的影响本试验梁为每跨两点加载,体外预应力筋布置成二折点的极限抗弯承载力明显大于一折点的,详见表 1。说明对主要承受集中荷载的构件,预应力筋宜在集中荷载作用点布置成折线形状,使预应力筋的外形和位置应尽可能与弯矩图一致,张拉预应力筋所产生的等效荷载与外部荷载的分布在形式上基本一致,可提高加固梁的极限抗弯承载力。3?3?施加预应力大小的影响预应力筋施加的预应力越大,则产生的等效荷载越大,加固梁的正截面强度就越大,加固效果更明
14、显,同时预应力筋的应力及应力增量也增大,可充分发挥预应力筋的作用。但施加预应力的大小有一定的限度,一般在 0?5 0?6fptk比较合适,这是因为加固结构在使用中,由于混凝土部分的变形会引起预应力筋的应力增量,张拉力过大有可能使预应力筋内的实际应力接近材料极限强度,产生脆性破坏 4。3?4?二次效应的影响当构件受荷载作用产生变形后,体外预应力筋在锚固端和转向块之间仍保持直线,因此构件的形心线与预应力筋之间的距离会变化,这种现象称为二次效应。二次效应的存在会导致体外预应力梁抗弯能力降低。试验结果表明:沿梁跨方向合理设置转向块,使体外约束的变形和结构梁的变形尽量一致,可有效地减小二次效应的影响,在
15、构件产生最大变形的截面位置布置转向块,可以同时提高使用阶段性能和极限抗弯承载力。4预应力加固连续梁的计算分析4?1?加固原理采用折线形布置预应力加固筋时,与外荷载产生的弯矩图相似,可大幅度提高原梁的受弯承载力,同时能减少裂缝宽度和挠度。这是因为预应力的作用可等效于对原梁施加了反向荷载,使原梁的正常使用性能得到改善,同时原梁截面内的钢筋面积增加,预应力钢筋的内力臂加大,使其受弯承载力得到较大的提高。4?2?内力计算加固后的连续梁延性较差,虽有一定程度的内力重分布,但不充分,其内力宜按弹性方法计算,不考虑弯矩调幅 1。由于连续梁为超静定结构,张拉体外预应力筋后将产生次内力,计算时应考虑次内力作用。
16、4?3?截面受弯承载力计算计算图式如图 5所示。由截面力系平衡条件可写出如下方程:a?沿纵向力方向平衡条件?puAp+fyAs=!1fcbx+fy As。(1)b?对受拉区钢筋(预应力和非预应力筋)合力作用点力矩平衡条件M%Mu=!1fcbx(h0-x/2)+fy As(h0-as),(2)公式适用条件?2 as%x%bh0。体外预应力筋的应力设计值,采用我国&无粘结预应力混凝土结构技术规程 的方法 pu=pe+100,且 pu%fpy。其中:pu为体外预应力筋的应力设计值;pe为体外预应力筋的有效预应力;Ap为预应力筋截面面积;As为非预应力筋截面面积;fy为非预应力筋抗拉强度设计值;fpy
17、为预应力筋抗拉强度设计值;fc为混凝土抗压强度设计值;!1为混凝土强度系数;b为截面的宽度;h0为截面的有效高度;x为混凝土受压区高度;b为相对界限受压区高度;M 为荷载效应产生的弯矩;Mu为截面抵抗弯矩。图 5?受弯构件正截面承载能力计算简图Fig?5?Force sche me of nor malsection ofm e mber in bending4?4?挠度计算计算梁的挠度时,应分别计算张拉前的挠度f1、预应力引起的反拱 fp以及加固后在后加荷载作用下的挠度 f2,然后进行叠加,即得 fmax=f1-fp+f2,挠度计算可按结构力学的方法进行,但梁的刚349第 3期?曹?霞等:体
18、外预应力加固钢筋混凝土连续梁受力性能与计算分析度在不同阶段会有不同的变化,计算时必须加以确定。根据文献 5 可按下列方法确定:(计算f1时,B1=(0?35 0?5)EcI0;)计算 fp时,Bp=0?75EcI0;计算 f2时,B2=(0?7 0?8)EcI0。其中,B 为梁的截面刚度;Ec,I0分别为原混凝土的弹性模量(N/mm2)和换算截面惯性矩(mm4)。5?结?论(1)预应力加固钢筋混凝土连续梁能使其刚度和抗裂性能有较大的提高,使其正常使用性能得到较大改善,并能有效地提高加固梁的受弯承载力。(2)加固梁混凝土强度等级、预应力筋的线形、施加预应力大小、配筋率和二次效应的作用对预应力加固
19、连续梁极限抗弯承载力都有较大的影响,预应力加固设计时必须综合考虑。(3)预应力加固钢筋混凝土连续梁会产生次内力,计算时应考虑次内力作用。(4)考虑体外预应力筋的应力增量,合理采用体外预应力筋的极限应力对加固钢筋混凝土连续梁截面受弯承载力的计算起着重要的作用。(5)加固梁的刚度在不同阶段会有不同的变化,挠度计算时应根据实际情况加以确定。参考文献:1 吕志涛,诸靖宇.钢筋混凝土连续梁体外预应力筋加固的试验与计算 J.建筑技术,1992,13(6):359-363.2 张继文,吕志涛.预应力加固钢筋混凝土简支梁的受力性能与分析计算 J.建筑结构,1995(9):18-23.3 张继文,吕志涛.预应力
20、加固钢筋混凝土连续梁的试验研究 J.建筑结构,1995(3):20-25.4 熊学玉.体外预应力结构设计 M.北京:中国建筑工业出版社,2005:22-24.5 宋玉普.新型预应力混凝土结构 M.北京:机械工业出版社,2006:408-409.M echanicalBehavior ofReinforced Concrete ContinuousBeamsStrengthened by ExternalPrestressing TendonCAO Xia,QIN H e?ying,FU Q iang(College of Civil Engineering and Architecture,G
21、uilin University of Technology,Guilin 541004,China)Abstract:The experi m ent on four reinforced concrete continuous beams strengthened by external prestressingtendon is carried ou.tThem echanical behavior of the externally prestressed concrete continuous beam is stud?ied,and the influencing factors
22、of the ulti m ate bearing capacity of the externally prestressed continuous bea mare presented.The deflection and bearing capacity of the strengthened continuous beam are analyzed.Resultsshow that the ulti mate bearing capacity,the crack resistance and stiffness of the reinforced concrete continuous
23、bea m are greatly strengthened.The ulti mate bearing capacity of the strengthened continuousbeam w illbe influ?enced by the concrete grade,the alignment of prestressing tendon,the value of prestressing force and the quad?ratic effec.tSo comprehensive consideration should be paid to the strengthening design of the reinforced con?crete continuous beam.Key words:external prestressing;concrete continuous bea m;strengthen350桂?林?工?学?院?学?报?2009年
