预应力混凝土构件的极限承载力影响因素分析

2012-06-14张宇旭

山西建筑 2012年5期

张宇旭

0 引言

由于充分发挥了混凝土的抗压和钢材的抗拉性能，且大大提高了结构的抗裂变形能力，预应力的混凝土结构形式得到了日益广泛的应用。在实际的工程应用中，预应力混凝土结构难以避免发生损伤，损伤的逐渐积累会给结构安全造成重大隐患，通常的损伤包括混凝土的碳化、预应力钢筋的锈蚀及预应力的损失等[1]。为了确保实际工程中结构的使用安全，根据体外预应力混凝土梁自身的结构特点，分析不同损伤影响因素下预应力混凝土结构的极限承载力非常必要。

基于此，本文采用大型有限元分析软件，结合某工程预应力混凝土构件，对预应力极限承载力的主要影响因素进行了相关的仿真和分析。

1 预应力混凝土结构模型的建立

区别于普通混凝土结构，预应力混凝土结构中施加的预应力使其力学性能更加复杂。大型有限元分析软件ANSYS是进行仿真分析的有效工具，它具备完善的建模、分析与求解功能，且有非常方便的后处理功能[2]，可以用于预应力混凝土结构的计算分析。

钢筋混凝土有限元组合方式采用分离式模型，即混凝土为空间8节点非线性实体单元，钢筋为线性梁单元。混凝土模型采用弹塑性断裂模型，具有分析拉应力区开裂和压应力区可能的压溃反应的能力。将预应力钢筋、普通钢筋与混凝土实体进行绑定，两者共同作用、共同变形。

预应力混凝土结构中预应力的施加是模型的关键。在ANSYS软件中，预应力通常采用温度法和初应变法进行施加，本文模型建立中采用后者，在求解过程的第一个荷载步施加相应的初应变模拟预应力。

在赋予模型的材料属性时，普通钢筋采用不考虑钢筋强化阶段的双折线等强硬化模型BISO模拟，预应力筋采用考虑三折线模型。混凝土考虑弹塑性分析的断裂模型，裂缝剪力传递系数:混凝土开裂时为0.4，闭合时为0.95。分析时，打开软件的材料非线性、几何非线性开关。支座处采用线约束，荷载施加采用三分点加载。

以某15 m跨先张法预应力混凝土T型梁桥为分析对象，跨中截面形式见图1。预应力混凝土梁模型参数为:两端简支预应力梁，跨长 L=15 m，混凝土设计等级为 C55;受拉区纵筋HRB335，5φ16，受压区纵筋 HRB335，5φ14，箍筋 HPB235，端部为2φ8@100，跨中为2φ8@140。体内预应力钢绞线采用6束钢绞线，每束由5股直径为8.6 mm的钢丝组成，每束钢绞线张拉极限强度为1855 MPa，张拉控制应力取为极限强度的65%，即为1206 MPa。

图1 预应力混凝土梁跨中截面

对于结构极限承载力的判断采用以下方法:当受压区混凝土的等效应力达到其极限抗压强度时，结构压碎破坏，此时对应的荷载即为结构的极限承载力。

通过有限元分析计算，可明确不同阶段的结构变形与应力分布。计算完成后，查看计算结果，当外荷载为1250 kN时，跨中受压区混凝土等效应力达到36.2 MPa，此时预应力钢绞线应力为1603 MPa，跨中最大位移72.5 mm，此处对应为预应力混凝土构件的极限承载力。图2为预应力混凝土简支梁跨中节点的荷载—挠度曲线。

图2 预应力混凝土梁跨中节点的荷载—挠度曲线

由图2可以看到，初始状态下预应力结构的“反拱”为2 cm;随着荷载增加，跨中位移呈线性增加，当荷载增加到435.2 kN时，对应的荷载—挠度曲线段斜率下降，结构刚度降低，分析原因是由于跨中裂缝的大量开展导致结构刚度降低而造成的，此时外荷载大约为极限荷载的30%。随着荷载的继续增加，裂缝逐渐增加和发展，当外荷载达到1250 kN左右时，查看结果，受拉钢筋跨中段的最大拉应力达到钢材的屈服强度，此处对应为荷载—挠度曲线上第二端曲率发生较大变化的点，分析原因是由于体内普通钢筋的屈服导致梁体整体刚度的急剧下降而造成。在加载的后期，曲线段平坦，随着荷载小幅度的变化，位移呈大幅度的增加，混凝土很快达到抗压强度，接近压碎破坏，跨中段截面区域破坏，整个结构破坏。

2 预应力极限承载力主要影响因素的分析

2.1 混凝土强度对预应力构件极限承载力的影响

为了充分利用预应力钢筋的高强度、提高受压区混凝土的抗压能力和推迟受拉区混凝土开裂，预应力混凝土结构常采用高等级的混凝土材料，通常其等级从C40～C60，甚至达到C80以上。

高强度混凝土具备良好的耐久性和很高的弹性模量，可以避免在体外预应力施加之后出现的应力松弛现象。高强度混凝土的这一优良特性，使得预应力高强度混凝土成为预应力结构的重要形式。

从预应力混凝土构件的特性来看，混凝土强度对预应力构件的承载力有一定影响。从实际工程应用来看，预应力混凝土的碳化会引起混凝土强度的降低，影响其承载力，从这个角度来看，探讨混凝土强度的影响具有实践意义。

为了分析混凝土强度对预应力构件极限承载力的影响，分别取混凝土等级为C40，C55，C65。表1为不同的混凝土强度等级下预应力梁构件的计算结果。

表1 不同的混凝土强度等级下预应力构件的计算结果

从表1中可以明显看出，随着混凝土强度的增加，预应力混凝土梁的极限承载力增大，达到极限状态的跨中竖向挠度增大，显然，采用高强度的混凝土能提高预应力混凝土梁的极限承载能力。

2.2 钢绞线截面面积对极限承载力的影响

在预应力混凝土简支梁结构中，当有效预应力一定时，钢绞线截面面积的大小直接决定了钢筋的配置形式。预应力钢筋的截面面积过大，其破坏形式接近于超筋梁，过小则接近于少筋梁。超筋梁破坏时，混凝土开裂后纵筋应变突变小，致使受拉纵筋应力在受压区混凝土被压坏时还达不到其屈服强度，属没有明显的预兆的脆性破坏;而少筋梁破坏时，对应混凝土开裂后钢筋应力突变较大，在混凝土压碎前出现塑性变形，属于有预期的塑性破坏。

分析中设定预应力混凝土梁构件中钢绞线具有相同的有效预应力，但具有不同的截面面积，分析此时结构承载力状况。章节1中已经对直径为8.6 mm直线布筋的预应力混凝土梁从加载至破坏的全过程进行了分析，本节取钢绞线的直径分别为5 mm，11 mm，12.9 mm，并与直径为8.6 mm的结果进行比较。

通过分析发现，对于直径为5 mm钢绞线预应力混凝土构件，当梁体受压区混凝土应力达到抗压强度时，受拉普通纵筋和预应力钢绞线的应力均达到各自的抗拉极限强度，且加载末期预应力钢筋的应力增量较大，出现较大的塑性变形，这与少筋梁的受力特性相同。

对于直径为12.9 mm钢绞线预应力混凝土构件，其极限承载力大大提高，当梁体受压区混凝土应力达到抗压强度时，受拉普通纵筋和预应力钢绞线的应力也较为接近各自的抗拉极限强度，但加载末期预应力钢筋的应力增加偏小，塑性变形相对较小，这与超筋梁的特性比较一致。

为了更详尽地比较钢绞线的截面面积对预应力混凝土梁构件的极限承载力的影响，钢绞线的直径分别取5 mm，8.6 mm，11 mm，12.9 mm的情况下计算得到的结果，见表2。

从表2中可以明显看出，在相同的有效预应力作用下，随着钢绞线的截面面积增大，预应力混凝土构件的抗弯承载能力大大增强，竖向挠度减少，说明了钢绞线截面面积的增大使得梁的延性减小。

表2 不同钢绞线截面面积下预应力混凝土构件的计算结果

2.3 钢绞线预应力大小对极限承载力的影响

钢绞线预应力是预应力混凝土构件的重要影响因素。在构件的施工和使用过程中，预应力会发生一定的损伤，对构件的极限承载力产生影响，对结构的安全造成危害。模型建立时，除有效预应力取值不同之外，其他条件均相同。取钢绞线的有效预应力分别为800 MPa，1000 MPa和1500 MPa下的计算结果，并与有效预应力为1206 MPa的结果进行比较，通过分析明确预应力大小对梁体极限承载力的影响。

通过分析发现，不同的预应力条件下，构件的跨中荷载挠度曲线走势是一致的。但随着预应力大小增加，构件的承载能力增加，当梁体受压区混凝土应力达到抗压强度时，受拉普通纵筋达到各自的抗拉极限强度，但预应力较小的钢筋未达到其极限抗拉强度，加载末期纵向钢筋的增加较大，出现较大的塑性变形，梁的破坏形式与适筋梁比较一致。

表3为不同的钢绞线预应力条件下预应力梁构件的计算结果。从表3中可以明显看出，随着预应力增加，梁体的反拱越大，最大挠度越小，极限承载力增加，增加幅度相对较小，主要原因为极限状态下对应为混凝土抗压破坏。