关于预应力型钢混凝土简支梁裂缝开展宽度及正截面抗弯承载力的性能研究

2011-07-13郑晨力

黑龙江交通科技 2011年12期

关键词：型钢弯矩宽度

郑晨力

(1.中南市政建设集团股份有限公司;2.北黑高速公路J4监理办)

关于预应力型钢混凝土简支梁裂缝开展宽度及正截面抗弯承载力的性能研究

郑晨力1，2

(1.中南市政建设集团股份有限公司;2.北黑高速公路J4监理办)

当前我国桥梁建设正在加快发展，在施工中，应考虑到预应力型钢混凝土简支梁裂缝开展宽度及正截面抗弯承载力的性能，结合这两个方面及构造、施工问题进行分析。

预应力;钢混凝土;简支梁;裂缝;承载力

1 预应力型钢混凝土简支梁裂缝开展宽度性能研究

1.1 有效预应力对裂缝开展宽度的影响

此系列为三组系列试件中的第一组系列试件，改变施加于预应力型钢混凝土梁的有效预应力的大小，研究不同有效预应力下，梁的裂缝开展宽度的变化。该系列三个试件分别为BASE试件，所施加有效预应力为300 MPa;PSRCB11试件，所施加有效预应力为250 MPa;PSRCB12试件，所施加有效预应力为350 MPa。

图1 有效预应力不同的裂缝开展宽度对比

由图1可以看出，BASE比PSRCB11有效预应力值增加14%，PSRCB12比PSRCB11有效预应力值增加40%，最大裂缝分别降低了42%，56%。随着有效预应力的增加，预应力型钢混凝土梁开始出现裂缝的时间比较晚;随着荷载的增加，可以明显看出，有效预应力越大的梁，裂缝宽度越小，当达到极限荷载时，有效预应力越高的梁，裂缝宽度明显越小。这说明有效预应力可以有效得控制裂缝开展宽度，直至梁发生弯曲破坏。在正常使用阶段有力得控制了裂缝的开展。预应力对裂缝有很好的抑制作用。同时还可看到，受拉受拉钢筋屈服前，预应力和普通型钢混凝土梁的裂缝开展宽度随荷载增加接近线性增长，但受拉钢筋屈服后，裂缝宽度增长速度加快。较高的预应力度对构件抗裂效果明显。

1.2 普通钢筋配筋率对裂缝开展宽度的影响

此系列为三组系列试件中的第二组系列试件，通过改变普通钢筋的直径，研究普通钢筋配筋率不同时，对梁的裂缝开展宽度的影响。该系列三个试件分别为BASE试件，普通钢筋直径为14 mm;PSRCB21试件，普通钢筋直径为12 mm;PSRCB22试件，普通钢筋直径为16 mm。

图2 普通钢筋配筋率不同的裂缝开展宽度对比

由图2可以看出，PSRCB22比BASE裂缝宽度大，BASE比PSRCB裂缝宽度大。PSRCB21等效钢筋直径为24，BASE等效钢筋直径为28，PSRCB22等效钢筋直径为32，随着等效钢筋直径的增加，最大裂缝宽度增大了21%，33%。这是因为裂缝宽度主要与等效钢筋直径有关，等效钢筋直径越小，混凝土与钢筋之间的接触面越大，钢筋与混凝土之间粘结力越好，裂缝宽度越小。所以选择直径小的钢筋，有利于裂缝宽度的控制。

1.3 混凝土强度对裂缝开展宽度的影响

此系列为三组系列试件中的第三组系列试件，通过改变混凝土的强度等级，研究混凝土强度不同时，对梁的裂缝开展宽度的影响。该系列三个试件分别为 BASE试件，选用C50型号混凝土;PSRCB41试件，选用 C40型号混凝土;PSRCB42试件，选用C60型号混凝土。

图3 混凝土强度不同的裂缝开展宽度对比

PSRCB42与 PSRCB41、BASE截面、配筋相同，只是混凝土抗压强度较高。PSRCB41比BASE混凝土抗拉强度提高了11%，PSRCB42比BASE混凝土抗拉强度提高了19%。从图3可以看出，随着混凝土强度的提高，在正常使用阶段，PSRCB42比PSRCB41、BASE的裂缝宽度稍小，但不明显。受拉钢筋屈服后裂缝发展反而比PSRCB41、BASE更快。

1.4 结论

由图可知:预应力度的大小是控制最大裂缝宽度随弯矩增长的重要因素，预应力度越大，抗裂性能就越好，最大裂缝宽度发展随着M/Mu增长越慢;最大裂缝宽度发展的过程与等效钢筋直径的大小有关，等效直径越大，裂缝宽度就越大;混凝土强度的提高对最大裂缝宽度的影响不显著。

PSRCB最大裂缝随弯矩的发展过程大体可以分为3个阶段。

(1)线性增长阶段。由于预应力的作用，梁的开裂弯矩增大，起始点明显要晚于 SRCB，显示出PSRCB具有良好的抗裂性能，最大裂缝宽度随着弯矩近似呈线性发展，体现了优良的使用性能。

(2)快速增长阶段。起始点在80%Mu左右，在此阶段内最大裂缝宽度增长迅速。

(3)不稳定的增长阶段。裂缝发展的不稳定阶段，微小的应力增量会引起裂缝宽度的急剧增大。

PSRCB最大裂缝宽度的发展过程具有起点较晚，线性段较长的特点，这表明了 PSRCB抗裂性能提高，在同等M/Mu条件下，PSRCB最大裂缝宽度更小，正截面承载力也得到更加充分的发挥。随着预应力度的加大，上述现象愈加得明显。

对于预应力型钢混凝土梁的裂缝开展宽度影响因素中，有效预应力有着显著的效果，是主要的影响因素，大大提高了预应力型钢混凝土梁的抗裂能力。普通钢筋的配筋率对其影响不显著，采用高强混凝土可改善构件的刚度。高强混凝土可减小构件的裂缝，提高构件的承载能力。预应力型钢混凝土采用高强混凝土是合适、可行的。

2 预应力型钢混凝土简支梁正截面抗弯承载力的性能研究

2.1 有效预应力对正截面抗弯承载力的影响

此系列为三组系列试件中的第一组系列试件，改变施加于预应力型钢混凝土梁的有效预应力的大小，研究不同有效预应力下，对梁的正截面承载力的影响。该系列三个试件分别为BASE试件，所施加有效预应力为300 MPa;PSRCB11试件，所施加有效预应力为250 MPa;PSRCB12试件，所施加有效预应力为350 MPa。

表1 有效预应力不同的正截面抗弯承载力对比

BASE比 PSRCB11有效预应力值增加14%，PSRCB12比BASE有效预应力值增加17%。由表1可以发现，有效预应力越大，开裂弯矩和极限弯矩也越大，尤其对开裂弯矩的影响明显，随着有效预应力的增加，开裂弯矩与极限弯矩的比值越大。这说明了有效预应力越大，梁的正常使用极限荷载越大，挠度也越小，并且有效预应力大的梁的正常使用极限荷载比小的梁提高明显，其弹性范围长度取决于有效预应力的大小。预应力是事先给梁控制截面施加了与使用荷载方向相反的荷载，有效预应力的增加，说明反向荷载更大，因而梁的正常使用承载力会更高。有效预应力越大，开裂弯矩与极限弯矩的比值越大，这说明，有效预应力的增大，推迟了裂缝的发展，提高了开裂弯矩。

2.2 普通钢筋配筋率对正截面抗弯承载力的影响

此系列为三组系列试件中的第二组系列试件，通过改变普通钢筋的直径，研究普通钢筋配筋率不同时，对梁的正截面抗弯承载力的影响。该系列三个试件分别为BASE试件，普通钢筋直径为14 mm;PSRCB21试件，普通钢筋直径为12 mm;PSRCB22试件，普通钢筋直径为16 mm。

表2 普通钢筋配筋率不同的正截面抗弯承载力对比

PSRCB21的普通钢筋配筋率为0.70%，BASE的普通钢筋配筋率为0.95%，PSRCB22的普通钢筋配筋率为1.24%。由表2可以发现，普通钢筋面积越大的梁，梁的破坏极限荷载越大，而使用极限荷载增加不明显。普通钢筋配筋率的提高，对开裂弯矩的影响不大，对极限弯矩有所提高。这说明了普通钢筋的配筋率对梁的开裂弯矩影响不大。只是可以提高梁的极限抗弯能力。

2.3 混凝土强度对正截面抗弯承载力的影响

此系列为三组系列试件中的第三组系列试件，通过改变混凝土的强度等级，研究混凝土强度不同时，对梁的正截面抗弯承载力的影响。该系列三个试件分别为BASE试件，选用C40混凝土;PSRCB41试件，选用C50型号混凝土;PSRCB42试件，选用C60型号混凝土。

表3 混凝土强度不同的正截面抗弯承载力对比

PSRCB41比BASE混凝土抗拉强度提高了11%，PSRCB42比BASE混凝土抗拉强度提高了19%。由表3可以发现，混凝土的强度越高，开裂弯矩越大，极限弯矩也越大，但开裂弯矩与极限弯矩的比值变化不大。这说明了高强混凝土可以明显提高预应力型钢混凝土梁的抗弯能力，但对于裂缝的发展不能起到很好的作用。

2.4 结论

PSRCB均为弯曲破坏。PSRCB的实测开裂弯矩为极限弯矩的18.41%Mu ～27.61%Mu，平均值为22.25%Mu，远大于SRCB的平均开裂弯矩。预应力技术的采用大大提高了梁的抗裂性能，首批裂缝向上延伸尚未超过钢筋的重心位置，梁的刚度变化不太大，荷载—挠度曲线并未出现明显的转折。随着弯矩的加大，PSRCB截面的中和轴不断上升，裂缝继续向上延伸，但是与相同M/Mu的 SRCB相比，裂缝延伸的高度、钢筋的应力和裂缝宽度都较小。在50%Mu左右纯弯段裂缝基本出齐，裂缝向上延伸到型钢下翼缘重心处，而且从50%Mu到75%Mu中和轴高度几乎不再向上延伸。PSRCB卸载时裂缝整体大幅减小，裂缝宽度沿梁纵向的不均匀程度大大得减小，表现出良好的闭合性能。在80%Mu左右，受拉钢筋和型钢下翼缘相继屈服。当极限弯矩时，裂缝向上延伸刚刚超出h/2截面高度，小于对应SRCB裂缝向上延伸的高度，纯弯段受压钢筋混凝土保护层以上混凝土被压碎而破坏。试验结束卸载后，梁的残余挠度和残余裂缝宽度较小，除受压区混凝土压碎的梁段外，原有的裂缝宽度已经很难观测到。在同等截面尺寸的情况下，PSRCB受弯承载力比相应的SRCB受弯承载力高出了32.2% ～66.3%相同情况的SRCB)，因此PSRCB更适用于大跨和重载等结构。

对于预应力型钢混凝土梁的正截面抗弯承载力的影响因素中，有效预应力的增大，普通钢筋的配筋率的提高，混凝土强度的提高都能提高预应力型钢混凝土梁的抗弯承载了。其中有效预应力对开裂弯矩有明显的影响，混凝土强度的提高对开裂弯矩和极限弯矩都有明显的影响，普通钢筋的配筋率对极限弯矩有所提高，但对开裂弯矩的影响不明显。

3 预应力型钢混凝土梁的构造及施工问题

3.1 构造要求

预应力组合结构中，预加的应力较大，张拉时不能一次到位，需要根据所加荷载的大小、工程施工次序和工况，分批、分阶段进行张拉。多次张拉虽然能够节省大量钢材，但施工复杂，且结构内存在了较大的弹性变形能，一旦受到意外荷载作用或结构的恒荷载突然减小时，将会使结构物导致破坏或突然倒塌。此外，预应力束的构造应按照现行规范要求进行。

用于预应力型钢混凝土构件中的混凝土强度等级不应低于C30，普通钢筋和箍筋应用一级钢二级钢，对用于抗震结构中的型钢应用延性较好的普通碳素钢和低合金钢，对于无抗震要求的结构可用更高强度的型钢，型钢钢板的宽厚比应符合相关规范。在型钢与混凝土的交界面处为防止掀起力作用，使混凝土与型钢上下分离，必须在粘结面上设置栓钉等抗剪连接件，以保证结构构件的组合效果。栓钉的长度一般取为100 mm，间距100 mm，直径16 mm。预应力束可以固定在同型钢腹板焊连的短钢筋上。型钢的存在可以改善预应力较高局压对梁端产生的不利的应力状态，设计时在型钢端部焊接钢板，以承受预应力筋传来的集中力。为了保证预应力的有效强度，应控制预应力筋的预应力损失。