關于預應力型鋼混凝土簡支梁裂縫開展寬度及正截面抗彎承載力的性能研究

鄭晨力

(1.中南市政建設集團股份有限公司;2.北黑高速公路J4監理辦)

關于預應力型鋼混凝土簡支梁裂縫開展寬度及正截面抗彎承載力的性能研究

鄭晨力1，2

(1.中南市政建設集團股份有限公司;2.北黑高速公路J4監理辦)

當前我國橋梁建設正在加快發展，在施工中，應考慮到預應力型鋼混凝土簡支梁裂縫開展寬度及正截面抗彎承載力的性能，結合這兩個方面及構造、施工問題進行分析。

預應力;鋼混凝土;簡支梁;裂縫;承載力

1 預應力型鋼混凝土簡支梁裂縫開展寬度性能研究

1.1 有效預應力對裂縫開展寬度的影響

此系列為三組系列試件中的第一組系列試件，改變施加于預應力型鋼混凝土梁的有效預應力的大小，研究不同有效預應力下，梁的裂縫開展寬度的變化。該系列三個試件分別為BASE試件，所施加有效預應力為300 MPa;PSRCB11試件，所施加有效預應力為250 MPa;PSRCB12試件，所施加有效預應力為350 MPa。

圖1 有效預應力不同的裂縫開展寬度對比

由圖1可以看出，BASE比PSRCB11有效預應力值增加14%，PSRCB12比PSRCB11有效預應力值增加40%，最大裂縫分別降低了42%，56%。隨著有效預應力的增加，預應力型鋼混凝土梁開始出現裂縫的時間比較晚;隨著荷載的增加，可以明顯看出，有效預應力越大的梁，裂縫寬度越小，當達到極限荷載時，有效預應力越高的梁，裂縫寬度明顯越小。這說明有效預應力可以有效得控制裂縫開展寬度，直至梁發生彎曲破壞。在正常使用階段有力得控制了裂縫的開展。預應力對裂縫有很好的抑制作用。同時還可看到，受拉受拉鋼筋屈服前，預應力和普通型鋼混凝土梁的裂縫開展寬度隨荷載增加接近線性增長，但受拉鋼筋屈服后，裂縫寬度增長速度加快。較高的預應力度對構件抗裂效果明顯。

1.2 普通鋼筋配筋率對裂縫開展寬度的影響

此系列為三組系列試件中的第二組系列試件，通過改變普通鋼筋的直徑，研究普通鋼筋配筋率不同時，對梁的裂縫開展寬度的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，普通鋼筋直徑為14 mm;PSRCB21試件，普通鋼筋直徑為12 mm;PSRCB22試件，普通鋼筋直徑為16 mm。

圖2 普通鋼筋配筋率不同的裂縫開展寬度對比

由圖2可以看出，PSRCB22比BASE裂縫寬度大，BASE比PSRCB裂縫寬度大。PSRCB21等效鋼筋直徑為24，BASE等效鋼筋直徑為28，PSRCB22等效鋼筋直徑為32，隨著等效鋼筋直徑的增加，最大裂縫寬度增大了21%，33%。這是因為裂縫寬度主要與等效鋼筋直徑有關，等效鋼筋直徑越小，混凝土與鋼筋之間的接觸面越大，鋼筋與混凝土之間粘結力越好，裂縫寬度越小。所以選擇直徑小的鋼筋，有利于裂縫寬度的控制。

1.3 混凝土強度對裂縫開展寬度的影響

此系列為三組系列試件中的第三組系列試件，通過改變混凝土的強度等級，研究混凝土強度不同時，對梁的裂縫開展寬度的影響。該系列三個試件分別為 BASE試件，選用C50型號混凝土;PSRCB41試件，選用 C40型號混凝土;PSRCB42試件，選用C60型號混凝土。

圖3 混凝土強度不同的裂縫開展寬度對比

PSRCB42與 PSRCB41、BASE截面、配筋相同，只是混凝土抗壓強度較高。PSRCB41比BASE混凝土抗拉強度提高了11%，PSRCB42比BASE混凝土抗拉強度提高了19%。從圖3可以看出，隨著混凝土強度的提高，在正常使用階段，PSRCB42比PSRCB41、BASE的裂縫寬度稍小，但不明顯。受拉鋼筋屈服后裂縫發展反而比PSRCB41、BASE更快。

1.4 結論

由圖可知:預應力度的大小是控制最大裂縫寬度隨彎矩增長的重要因素，預應力度越大，抗裂性能就越好，最大裂縫寬度發展隨著M/Mu增長越慢;最大裂縫寬度發展的過程與等效鋼筋直徑的大小有關，等效直徑越大，裂縫寬度就越大;混凝土強度的提高對最大裂縫寬度的影響不顯著。

PSRCB最大裂縫隨彎矩的發展過程大體可以分為3個階段。

(1)線性增長階段。由于預應力的作用，梁的開裂彎矩增大，起始點明顯要晚于 SRCB，顯示出PSRCB具有良好的抗裂性能，最大裂縫寬度隨著彎矩近似呈線性發展，體現了優良的使用性能。

(2)快速增長階段。起始點在80%Mu左右，在此階段內最大裂縫寬度增長迅速。

(3)不穩定的增長階段。裂縫發展的不穩定階段，微小的應力增量會引起裂縫寬度的急劇增大。

PSRCB最大裂縫寬度的發展過程具有起點較晚，線性段較長的特點，這表明了 PSRCB抗裂性能提高，在同等M/Mu條件下，PSRCB最大裂縫寬度更小，正截面承載力也得到更加充分的發揮。隨著預應力度的加大，上述現象愈加得明顯。

對于預應力型鋼混凝土梁的裂縫開展寬度影響因素中，有效預應力有著顯著的效果，是主要的影響因素，大大提高了預應力型鋼混凝土梁的抗裂能力。普通鋼筋的配筋率對其影響不顯著，采用高強混凝土可改善構件的剛度。高強混凝土可減小構件的裂縫，提高構件的承載能力。預應力型鋼混凝土采用高強混凝土是合適、可行的。

2 預應力型鋼混凝土簡支梁正截面抗彎承載力的性能研究

2.1 有效預應力對正截面抗彎承載力的影響

此系列為三組系列試件中的第一組系列試件，改變施加于預應力型鋼混凝土梁的有效預應力的大小，研究不同有效預應力下，對梁的正截面承載力的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，所施加有效預應力為300 MPa;PSRCB11試件，所施加有效預應力為250 MPa;PSRCB12試件，所施加有效預應力為350 MPa。

表1 有效預應力不同的正截面抗彎承載力對比

BASE比 PSRCB11有效預應力值增加14%，PSRCB12比BASE有效預應力值增加17%。由表1可以發現，有效預應力越大，開裂彎矩和極限彎矩也越大，尤其對開裂彎矩的影響明顯，隨著有效預應力的增加，開裂彎矩與極限彎矩的比值越大。這說明了有效預應力越大，梁的正常使用極限荷載越大，撓度也越小，并且有效預應力大的梁的正常使用極限荷載比小的梁提高明顯，其彈性范圍長度取決于有效預應力的大小。預應力是事先給梁控制截面施加了與使用荷載方向相反的荷載，有效預應力的增加，說明反向荷載更大，因而梁的正常使用承載力會更高。有效預應力越大，開裂彎矩與極限彎矩的比值越大，這說明，有效預應力的增大，推遲了裂縫的發展，提高了開裂彎矩。

2.2 普通鋼筋配筋率對正截面抗彎承載力的影響

此系列為三組系列試件中的第二組系列試件，通過改變普通鋼筋的直徑，研究普通鋼筋配筋率不同時，對梁的正截面抗彎承載力的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，普通鋼筋直徑為14 mm;PSRCB21試件，普通鋼筋直徑為12 mm;PSRCB22試件，普通鋼筋直徑為16 mm。

表2 普通鋼筋配筋率不同的正截面抗彎承載力對比

PSRCB21的普通鋼筋配筋率為0.70%，BASE的普通鋼筋配筋率為0.95%，PSRCB22的普通鋼筋配筋率為1.24%。由表2可以發現，普通鋼筋面積越大的梁，梁的破壞極限荷載越大，而使用極限荷載增加不明顯。普通鋼筋配筋率的提高，對開裂彎矩的影響不大，對極限彎矩有所提高。這說明了普通鋼筋的配筋率對梁的開裂彎矩影響不大。只是可以提高梁的極限抗彎能力。

2.3 混凝土強度對正截面抗彎承載力的影響

此系列為三組系列試件中的第三組系列試件，通過改變混凝土的強度等級，研究混凝土強度不同時，對梁的正截面抗彎承載力的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，選用C40混凝土;PSRCB41試件，選用C50型號混凝土;PSRCB42試件，選用C60型號混凝土。

表3 混凝土強度不同的正截面抗彎承載力對比

此系列為三組系列試件中的第三組系列試件，通過改變混凝土的強度等級，研究混凝土強度不同時，對梁的正截面抗彎承載力的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，選用C40混凝土;PSRCB41試件，選用C50型號混凝土;PSRCB42試件，選用C60型號混凝土。

PSRCB41比BASE混凝土抗拉強度提高了11%，PSRCB42比BASE混凝土抗拉強度提高了19%。由表3可以發現，混凝土的強度越高，開裂彎矩越大，極限彎矩也越大，但開裂彎矩與極限彎矩的比值變化不大。這說明了高強混凝土可以明顯提高預應力型鋼混凝土梁的抗彎能力，但對于裂縫的發展不能起到很好的作用。

2.4 結論

PSRCB均為彎曲破壞。PSRCB的實測開裂彎矩為極限彎矩的18.41%Mu ～27.61%Mu，平均值為22.25%Mu，遠大于SRCB的平均開裂彎矩。預應力技術的采用大大提高了梁的抗裂性能，首批裂縫向上延伸尚未超過鋼筋的重心位置，梁的剛度變化不太大，荷載—撓度曲線并未出現明顯的轉折。隨著彎矩的加大，PSRCB截面的中和軸不斷上升，裂縫繼續向上延伸，但是與相同M/Mu的 SRCB相比，裂縫延伸的高度、鋼筋的應力和裂縫寬度都較小。在50%Mu左右純彎段裂縫基本出齊，裂縫向上延伸到型鋼下翼緣重心處，而且從50%Mu到75%Mu中和軸高度幾乎不再向上延伸。PSRCB卸載時裂縫整體大幅減小，裂縫寬度沿梁縱向的不均勻程度大大得減小，表現出良好的閉合性能。在80%Mu左右，受拉鋼筋和型鋼下翼緣相繼屈服。當極限彎矩時，裂縫向上延伸剛剛超出h/2截面高度，小于對應SRCB裂縫向上延伸的高度，純彎段受壓鋼筋混凝土保護層以上混凝土被壓碎而破壞。試驗結束卸載后，梁的殘余撓度和殘余裂縫寬度較小，除受壓區混凝土壓碎的梁段外，原有的裂縫寬度已經很難觀測到。在同等截面尺寸的情況下，PSRCB受彎承載力比相應的SRCB受彎承載力高出了32.2% ～66.3%相同情況的SRCB)，因此PSRCB更適用于大跨和重載等結構。

對于預應力型鋼混凝土梁的正截面抗彎承載力的影響因素中，有效預應力的增大，普通鋼筋的配筋率的提高，混凝土強度的提高都能提高預應力型鋼混凝土梁的抗彎承載了。其中有效預應力對開裂彎矩有明顯的影響，混凝土強度的提高對開裂彎矩和極限彎矩都有明顯的影響，普通鋼筋的配筋率對極限彎矩有所提高，但對開裂彎矩的影響不明顯。

3 預應力型鋼混凝土梁的構造及施工問題

3.1 構造要求

預應力組合結構中，預加的應力較大，張拉時不能一次到位，需要根據所加荷載的大小、工程施工次序和工況，分批、分階段進行張拉。多次張拉雖然能夠節省大量鋼材，但施工復雜，且結構內存在了較大的彈性變形能，一旦受到意外荷載作用或結構的恒荷載突然減小時，將會使結構物導致破壞或突然倒塌。此外，預應力束的構造應按照現行規范要求進行。

用于預應力型鋼混凝土構件中的混凝土強度等級不應低于C30，普通鋼筋和箍筋應用一級鋼二級鋼，對用于抗震結構中的型鋼應用延性較好的普通碳素鋼和低合金鋼，對于無抗震要求的結構可用更高強度的型鋼，型鋼鋼板的寬厚比應符合相關規范。在型鋼與混凝土的交界面處為防止掀起力作用，使混凝土與型鋼上下分離，必須在粘結面上設置栓釘等抗剪連接件，以保證結構構件的組合效果。栓釘的長度一般取為100 mm，間距100 mm，直徑16 mm。預應力束可以固定在同型鋼腹板焊連的短鋼筋上。型鋼的存在可以改善預應力較高局壓對梁端產生的不利的應力狀態，設計時在型鋼端部焊接鋼板，以承受預應力筋傳來的集中力。為了保證預應力的有效強度，應控制預應力筋的預應力損失。

3.2 施工要求

預應力型鋼混凝土梁的施工方法一般有3種。

(1)澆筑混凝土時型鋼下不設臨時支撐。

(2)澆筑混凝土時型鋼下架設臨時支撐。

(3)澆筑混凝土時型鋼下有臨時支撐，但在澆筑混凝土時支撐已受壓，其反力使型鋼產生反拱。

施加預應力的順序有兩種方法。

(1)先施加預應力，再澆筑混凝土，被稱為先張法。

(2)在型鋼上現澆混凝土形成普通型鋼混凝土梁，然后利用混凝土中的預應力束對梁施加后張拉預應力，稱為后張法。采用后張法需要較多的預應力束和較大的預應力度才能夠達到一定的效果。

預應力順序和施工方法將影響使用階段預應力組合梁的受力和變形以及梁翼緣進入屈服或喪失穩定的時間，所以對于所有類型截面在正常使用極限狀態和破壞極限狀態的驗算，都要考慮施工方法和預應力順序的影響。

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1008－3383(2011)12－0058－02

2011－10－11