預應力超高強混凝土梁抗彎性能試驗研究＊

孟 剛 賈金青 劉春梅

（大連理工大學港口和近海工程國家重點實驗室1） 大連 116024） （大連科諾科技發展有限公司2） 大連 116023）

0 引 言

超高強混凝土具有比強度高、負荷能力大、資源和能源消耗少、耐久性優異、可有效控制構件截面尺寸等特點［1］，特別適用于大跨、重載、高層和超高層結構中，隨著超高強混凝土配置技術和施工泵送技術日益成熟，C100級超高強混凝土已逐漸應用于工程中［2］．但我國新修訂的規范《混凝土結構設計規范》（GB50010－2010）［3］以及《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62－20040）［4］僅適用的混凝土強度等級為C15～C80，明顯滯后于超高混凝土結構在實際工程中的應用，因此對超高強混凝土結構體系進行系統的研究是十分必要的．目前國內外對超高強混凝土柱、節點的受力性能研究較多［5－6］，但對超高強混凝土受彎構件的受力性能研究較少．本文以預應力筋位置和預應力筋配筋率為主要研究因素對預應力超高強混凝土簡支梁進行了靜力荷載下的抗彎性能試驗，并通過有限元程序ANSYS對其進行了承載力數值模擬計算，并與試驗結果進行比較．

1 試件設計和試驗方案

1．1 試件設計

試驗共對4根后張法預應力超高強混凝土簡支梁進行張拉階段的受力監測，梁長為4．0m，跨度為3．7m，截面尺寸為200mm×300mm，普通縱向受力鋼筋采用HRB335級鋼筋，箍筋為HPB235級鋼筋，預應力筋采用1 860級高效低松弛鋼絞線，張拉控制應力均為0．70fpfk（fptk為預應力筋抗拉強度標準值），預應力錨具采用低回縮錨具．試件梁的縱筋配筋均為AS＝3B18，A′S＝3B14，箍筋的配筋滿足構造配筋，保證試件梁的彎曲破壞，支座處φ8＠50，剪跨段φ8＠150，純彎段φ8＠200．試驗梁配筋見圖1～2，預應力筋配筋情況見表1．

圖1 試驗梁配筋示意圖（單位：mm）

圖2 試驗梁的截面示意圖（單位：mm）

表1 試驗梁預應力筋的設計參數

1．2 材料性能

試驗梁超高強混凝土標準立方體抗壓強度平均值fcu＝102．5MPa，標準棱柱體抗壓強度平均值fc＝86．18MPa，彈性模量Ec＝38．7MPa，鋼筋及鋼絞線的屈服強度fy、極限強度fu及彈性模量實測值見表2．

表2 鋼絞線及鋼筋實測力學性能指標

1．3 試驗方案

試驗均采用2點集中對稱的同步分級加載方式．首先對試件進行預加載，調試儀器，然后卸載，將傳感器、應變片和位移計調零；在試件開裂前，每級所加荷載約為0．05 Mu（Mu為跨中極限彎矩），持載10min；試件開裂后每級所加荷載約為0．1 Mu，持載10min；試件達到屈服荷載后加載幅度恢復至0．05 Mu，直至試件達到極限荷載破壞．荷載由10 000kN試驗機在分配梁上施加，并通過荷載傳感器測量施加荷載的大?。豢缰辛旱自O置位移傳感器測量試件的撓度；沿試件跨中截面高度方向布置混凝土應變片以及純彎段縱筋、鋼絞線表面布置應變片；荷載、位移傳感器和應變片數據通過IMC系統自動采集，跨中純彎段長度為1 100mm，試驗加載方式見圖3．

2 試驗現象與試驗結果分析

2．1 試驗現象

圖3 試驗梁加載圖

在加載初期，試驗梁的荷載撓度曲線基本呈線性變化，當荷載達到0．3 Mu（彎矩為50kN·m）左右時，首先在試驗梁純彎段下邊緣出現豎向彎曲微裂縫；隨著荷載的增加，由于鋼筋和混凝土的粘結與應力傳遞，裂縫數量增加，裂縫間距均勻，一般9～11mm之間；當荷載達到0．6 Mu（彎矩為105kN·m）左右時，純彎段新裂縫基本不出現，原有裂縫寬度擴展并向上延伸；當荷載達到0．75 Mu（彎矩為130kN·m）左右時，剪跨段出現多條裂縫，間距均勻，并由梁下邊緣向加載點傾斜延伸，純彎段裂縫繼續向上延伸擴展，跨中最大裂縫寬度0．2mm；荷載繼續增加，達到0．85 Mu（即彎矩為148kN·m）左右時，試驗梁屈服，受壓區混凝土壓裂，并伴隨有混凝土崩裂聲音，新裂縫不再出現，純彎段裂縫繼續向上擴展，剪跨段裂縫繼續向加載點傾斜擴展，最大裂縫寬度0．68mm．當荷載臨近極限彎矩Mu時，裂縫發展加快，跨中撓度增加迅速，純彎段受壓區混凝土在受壓筋位置附近出現水平裂縫，最終受壓區混凝土壓碎，梁達到極限狀態，試驗梁均呈現彎曲破壞形態．由于超高強混凝土脆性大，試驗梁達到極限承載力后，承載力迅速降低．試件梁破壞形態見圖4．

圖4 試驗梁彎曲破壞形式及裂縫分布情況

2．2 試驗結果分析

2．2．1 荷載－撓度曲線

圖5為各試驗梁跨中截面荷載－撓度曲線．由圖5可見，荷載達到極限荷載的30%之前，跨中截面的撓度基本呈線性增長趨勢，試驗梁處于彈性階段；隨后曲線出現第一個拐點，在極限荷載的30%～85%之間，撓度增長速度加快，試驗梁進入彈塑性階段；達到極限荷載的85%以后，荷載增加變緩，撓度迅速增張，受拉縱筋屈服，試驗梁進入屈服階段，屈服點較為明顯；達到極限荷載后，承載力迅速降低，撓度增長較緩．試驗梁中均配置了一定數量的受壓縱筋，在一定程度上改善超高強混凝土材料脆性破壞特點，使得荷載－撓度曲線達到極限荷載之后位移略有增加，由此得出增大受壓縱筋的配筋率有利于改善超高強混凝土梁的脆性破壞情況．

圖5 跨中截面荷載位移－撓度曲線

2．2．2 設計參數的影響

1）預應力的施加能夠有效的控制構件的開裂和撓度，試驗梁L1～L4屈服時最大裂縫寬度依次為0．48，0．6，0．68，0．52mm．由此得出，預應力筋高度hp以及預應力筋配筋率對裂縫開展有一定影響，hp越小，試件屈服時最大裂縫寬度越小，試件L1比試件L3減小29．4%；預應力筋的配筋率越大，試件屈服時最大裂縫寬度越小，但對試件抗裂性影響不明顯．

2）對于超高強混凝土梁，預應力筋高度hp越大，梁的屈服段越長，梁的延性越好；預應力筋配筋率越大，梁的屈服段較短，梁的延性越差．

3）表3為試驗梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載．由此可見，在相同的預應力張拉應力的情況下，試件L1～L3的預應力筋高度hp越小，預應力筋提供的反彎矩越大，試件的開裂荷載越大，試件進入消壓狀態以后，計算正截面彎矩平衡時，預應力筋提供的彎矩越大，屈服荷載和極限荷載就越大；相同預應力筋高度條件下，預應力筋配筋越大，試件中和軸高度越小，混凝土受壓區越小，試件的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載越大．

表3 試驗結果與計算結果對比

3 預應力超高強混凝土梁承載力有限元計算分析

本文采用ANSYS有限元程序對預應力超高強混凝土梁在靜力荷載作用下的抗彎受力過程進行數值模擬分析，采用蒲心誠［7］提出的超高強混凝土本構模型，其單軸受壓情況下，不同強度等級的混凝土的應力應變上升段關系式為

式中：fcu，100為試件尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體抗壓強度；k為修正系數；ε0為峰值應變．

修正系數k按k＝0．494 7infcu，100－1．577 1

峰值應 變ε0＝ （8．505 5fcu，100＋123 0）×10－6

fcu，100和標準立方體試塊抗壓強度fcu之間的換算關系以及標準棱柱體試件軸心抗壓強度fc與標準立方體試塊抗壓強度fcu的換算關系為［7］

在ANSYS分析中，混凝土采用SOLID65單元進行模擬，在計算中不考慮形函數的附加項，便于收斂．縱筋、箍筋以及預應力筋采用空間二節點桿單元LINK8進行模擬［8］．混凝土采用多線性隨動強化模型（KINH），破壞準則采用默認的 William－Warnker五參數破壞準則［9］．鋼材（工字鋼、縱筋、箍筋以及預應力筋）單軸應力－應變關系采用二折線理想彈塑性模型．支座鋼墊塊和錨具墊塊采用彈性模型，彈性模量取鋼材的10倍．ANSYS中鋼材強化模型采用雙線性隨動強化模型（KBIN）．

對4根試驗梁進行ANSYS數值模擬，采用2點對稱位移加載，控制子布，控制計算精度，4根試驗梁均收斂良好．

4 結 論

1）超高強混凝土梁具有較高的承載力，由于超高強混凝土材料的脆性問題，導致極限荷載后持載能力較差．

2）在超高強混凝土梁中施加預應力，較好的抑制了裂縫的開展，控制了裂縫的寬度，改善了超高強混凝土梁正常使用階段的使用性能．

3）預應力筋高度hp和預應力筋配筋率對超高強混凝土梁受力性能有較為顯著的影響，當hp較大或者相同預應力筋位置配筋率較小時，能夠使超高強混凝土梁保持較高的承載力的同時，延長超高強混凝土梁屈服階段，提高梁的延性性能，改善其受力性能．

4）本文采用ANSYS有限元程序對預應力超高強混凝土梁承載力進行數值模擬計算，計算結果與試驗結果吻合較好，為預應力超高強混凝土梁受力性能分析提供了一種較為準確的數值計算方法．

［1］蒲心誠．超高強高性能混凝土［M］．重慶：重慶大學出版社，2004．

［2］JOSEF H，CLAUS G．Structural behavior of partially concrete encased composite sections with high strength concrete［J］．ASCE Conf．Proc，2006，186（33）：346－355．

［3］中交公路規劃設計院．JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［4］中交公路規劃設計院．GB50010—2010混凝土結構設計規范［S］．北京：人民交通出版社，2010．

［5］賈金青．鋼骨高強混凝土柱的力學性能［M］．大連：大連理工大學出版社，2006．

［6］YAN Changwang，WANG Haitao，MENG Gang．Seism ic performance of steel reinforced ultra highstrength concrete columns［J］．Journal of SinChuan University：Engineering Science Edition，2009，41（3）：216－222．

［7］張謝東，王勇威，蒲心誠，等．單軸壓力56．3～164．9 MPa混凝土的應力－應變關系［J］．建筑結構學報，2005，26（1）：97－102．

［8］王文煒，李 果，韓武欽．FRP加固鋼筋混凝土梁非線性有限元分析［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，31（2）：235－238．

［9］毛 偉，賈金青，余 芳．分離模型預應力混凝土梁數值模擬［J］．鐵道建筑，2011（7）：17－19．