大直径钢绞线预应力梁正截面承载力研究概述

付豪　陈冠华　张跃　张笑尘　封征宇（东北林业大学，黑龙江　哈尔滨　150000）



大直径钢绞线预应力梁正截面承载力研究概述

付豪陈冠华张跃张笑尘封征宇
（东北林业大学，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：根据国内外试验研究成果，对预应力混凝土梁的试验方法进行了总结，结合大直径高强钢绞线的优越性能，提出了一种大直径高强钢绞线预应力混凝土梁，并针对该新型结构进行了正截面承载力的研究分析。

关键词：钢绞线，预应力混凝土梁，正截面承载力

0　引言

我国目前仍处于工业化和城镇化快速发展时期，经三十多年的迅猛发展，建筑业已成为我国国民经济的重要支柱产业之一。钢铁材料始终是建筑结构的主体材料，建筑用钢材需求量较大，占钢材消费量的50%以上。由于我国基础设施的主要结构材料是钢筋混凝土，多年来钢筋和线材一直在建筑用钢消耗中占有较大比重。其中，主要以500 MPa级以下的中低强钢筋为主，极限强度标准值高可达1 960 MPa的高强预应力筋所占的比重极小。建筑业作为资源消耗量较大行业之一，要实现可持续发展，就必须调整建筑材料消耗结构，大力推广应用高强钢筋，走节约型发展道路。

预应力钢筋混凝土结构自诞生以来已经历了半个世纪和众多工程实践的考验。其理论分析、基本性能研究、方案探索、构造设计、生产工艺等方面已有显著成果，科学性、可靠性和经济性不言而喻。并且世界各国兴建了很多有代表性的预应力工程建筑物，这些都说明预应力钢筋混凝土结构己在世界土建工程中显示了强大的生命力和吸引力，值得我们深入研究并获得更多的收益。

1　国内外大直径高强预应力混凝土梁的研究现状

和普通钢筋混凝土梁相比，应用高强预应力钢筋的混凝土梁具有更大的承载力。国内外学者通过试验验证，对大直径高强预应力钢绞线混凝土梁进行了详细研究，对梁正截面极限承载力、裂缝开展和截面破坏形态等方面进行了分析。

陆洲导、张士铎［1］对5根无粘结部分预应力混凝土箱形截面梁进行实验，核实了无粘结部分预应力混凝土梁的正截面承载力强度问题。通过理论分析推导出了梁极限破坏时无粘结预应力筋应力的计算公式并且考虑了跨高比和附加非预应力钢筋对此项应力的影响，提出了无粘结部分预应力混凝土梁正截面强度的计算方法。

宋永发、王清湘、赵国藩等［2］进行了15根单调荷载和11根低周重复荷载作用下的无粘结部分预应力高强混凝土梁的实验研究并探讨了综合配筋指标、跨高比、荷载作用方式等等因素对预应力筋应力增量和极限承载力可能带来的影响。得出了两种无粘结部分预应力高强混凝土梁正截面极限承载力的计算公式，做出的相应的验证与实验结果吻合，表明公式可以使用。

王鹏［3］对12根高强钢筋高强混凝土预应力简支梁进行了两点对称同步分级集中加载抗弯性能试验。观察了构件从开裂到丧失承载力的全过程并分析了各阶段钢筋的承载力、挠度、延性、裂缝宽度。得出了高强钢筋高强混凝土预应力梁的延性随着预应力强度比和换算配筋率的增大而降低，随着受压非预应力筋指数、混凝土强度等级和体积配箍率的增大而增大的结论。

张利梅［4］对一块跨度为16 m的空心板分别采用C80高强混凝土和高均匀延伸率低松弛1860级钢绞线的空心板梁进行原型试验。根据实验现象对正截面受力性能进行了全面的论证，得出了采用高均匀延伸率低松弛1860级钢绞线可有效地提高空心板梁的延性的结论。

叶觉明、张太科、鲜荣等［5］结合国内外各工程案例，对1960级钢丝的使用情况、使用效果和相比普通钢丝的优点等方面做出了详细的调查研究。得出了1960级钢丝可以有效地减少桥上缆绳钢丝用量、减少主缆耗材和风阻、减小钢筋直径并极大提高承载力等优点的结论。提出可能需要对1960级钢丝进行热处理强化、有效韧化等处理手段以保证其使用稳定。

郭俊平、邓宗才、林劲松等［6］进行了预应力高强钢绞线网加固钢筋混凝土板的实验研究。对三块不同预应力水平加固板、一块非预应力加固板和一块对比板进行抗弯试验研究。实验结果表明，预应力高强钢绞线加固技术解决了非预应力加固方法钢绞线应变滞后、发生剥离破坏、高强度利用率低等缺点，也表明了此项技术是一种主动高效的加固技术，具有较高的推广应用价值。

杨春满、朱永胜、张红军等［7］通过对矿用大直径锚索进行实验，结果表明大直径锚索在高地压和顶板破碎的困难巷道中起到了良好的支护作用，减少了设备维修量，杜绝了顶板事故的发生，这些优点都与其中高强钢绞线的应用有关。

胡颂华［8］对采用高强钢筋预应力混凝土梁的某酒店进行了结构分析。通过检验和对比分析，得出了应用高强钢绞线的大跨度建筑结构抗裂度和耐久性都得到了显著提高的结论。

综上所述可知，在科技迅猛发展的今天，大直径高强预应力筋在各个方面都有很大的发展空间，在结构构件尺寸一定的条件下，预应力结构可跨越更大的跨度，在跨度一定的条件下，预应力结构可实现较小的截面尺寸。通过预应力技术，可使高强预应力筋的强度充分发挥。在建筑工程方面，采用高强预应力筋在“大（大跨度、大面积）、高（高层）、重（重荷载）、特（特种结构、特殊需要）”结构建造中作用巨大。在桥梁工程、地下工程、隧道工程中，高强预应力筋也在得到广泛的应用，值得我们去为此探索。

2　大直径高强钢绞线预应力混凝土梁的研究方案

参考借鉴相关文献和资料，设计如下试验方案，通过对大直径高强钢绞线预应力混凝土梁正截面承载力、破坏形态、经济效益等试验结果进行分析，研究采用1960级钢绞线和C50混凝土对梁正截面承载力的影响，确定最佳混凝土配比与钢筋配置方案，得出使用大直径高强预应力钢绞线的可行性。

2.1创新点

1）加强高强度预应力钢筋的使用，为我国土木建筑工程中高强预应力筋的科学化与规模化应用奠定基础，为具有节能减排低碳环保的绿色建筑提供技术支撑。

2）国内关于高强度预应力筋的使用和发展的研究，尚未见成型体系与具体的报道。

3）进行构件相关受力性能试验和有限元分析，为建立相关理论基础提供试验依据，这将有利于高强度钢筋钢绞线预应力混凝土的推广和使用，从而达到较好的社会、经济效益。

2.2大直径高强钢绞线预应力混凝土梁正截面承载力试验

制作钢筋混凝土梁进行试验，构件的尺寸为6 000 mm× 200 mm×400 mm（l×b×h），高强钢绞线采用1960级钢绞线，普通钢筋采用HRB400级钢筋，混凝土采用C50级混凝土。采用后张法对1960级钢绞线进行张拉。梁布置方式如图1所示。

图1　梁试件构造图

本实验为三分点静载实验，利用千斤顶施加竖向荷载，应变片、位移计和静态电阻应变测试系统对钢筋与混凝土的各测点应变、挠度和竖向荷载进行量测，加载设备和量测装置如图2所示。

图2　加载设备和量测装置示意图

2.3试验现象与数据分析

通过以上试验，观察大直径高强钢绞线预应力混凝土梁的破坏现象和破坏形态，记录极限拉应力、极限压应力、挠度、钢筋应变、混凝土应变、位移等参数。利用Abaqus软件建立有限元模型并分析构件的承载能力且随着荷载的增加，分析构件的变形和裂缝的发展情况。对比普通钢筋混凝土构件的承载能力、变形情况、裂缝分布情况等因素得出最优的钢绞线配置方案。总结实验数据，得出采用大直径高强预应力钢绞线的可行性分析。

3　结语

1）根据大直径高强钢绞线的优越性能，提出了一种大直径高强钢绞线预应力混凝土梁，并借鉴国内外先进的研究方法，针对这种新型结构的性能和影响因素等方面的研究进行了试验方案设计。

2）高强预应力钢筋的抗拉强度设计值为目前仍大量应用的HRB335级钢筋的4.7倍，作为主导钢筋的HRB400级钢筋的3.9倍、HRB500级钢筋的3.2倍，已研发成功的HRB600级钢筋的2.7倍，相比普通钢筋抗拉强度具有更大优势。采用高强预应力钢筋作为受拉材料用于混凝土梁底部受拉区切实可行。

3）在普通混凝土梁中使用大直径高强预应力钢绞线能够使梁的正截面承载力显著提高，充分发挥受压区混凝土的抗压强度和受拉区钢绞线和非预应力钢筋的抗拉强度，提高梁的承载性能，弥补因跨度过大和钢筋强度过低带来的承载力不足的影响，有利于梁综合性能的提高，也顺应了当代节能环保绿色建筑的发展趋势。

参考文献：

［1］陆洲导，张士铎.无粘结部分预应力混凝土梁正截面强度的研究［J］.土木工程学报，1992（6）：1-9.

［2］宋永发，王清湘，赵国藩，等.部分预应力高强混凝土梁无粘结筋极限应力及承载力的计算方法［J］.中国公路学报，2000（1）：64-67.

［3］王鹏.高强钢筋高强混凝土预应力梁受力性能及延性试验研究［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

［4］张利梅.高效预应力混凝土梁受力性能及延性研究［D］.大连：大连理工大学，2004.

［5］叶觉明，张太科，鲜荣，等.1960 MPa级钢丝加工及其在悬索桥主缆上的应用［J］.金属制品，2015（2）：1-6.

［6］郭俊平，邓宗才，林劲松，等.预应力高强钢绞线网加固钢筋混凝土板的试验研究［J］.土木工程学报，2012（5）：84-92.

［7］杨春满，朱永胜，张红军，等.矿用大直径高强预应力锚索的开发及应用［J］.煤炭科学技术，2008（12）：59-62.

［8］胡颂华.某酒店工程大跨度预应力混凝土梁施工技术的应用［J］.工程与建设，2012（2）：254-257.

Research on right section’s loading
capacity of large-diameter steel strand prestressed beam

Fu Hao Chen Guanhua Zhang Yue Zhang Xiaochen Feng Zhengyu
（Northeast Forestry University，Harbin 150000，China）

Abstract：According to research results of tests at home and abroad，the paper sums up the experimental methods for the prestressed concrete beam，puts forward the sort of large-diameter steel strand prestressed beam by combining with its advantageous performance，so as to right section loading capacity the research and analysis of the new structure.

Key words：steel strand，prestressed concrete beam，right section loading capacity

中图分类号：TU378.2

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0061-02

收稿日期：2015-12-15

作者简介：付豪（1994-），男，在读本科生；陈冠华（1995-），男，在读本科生