無粘結預應力對簡支梁自振頻率的試驗研究

劉 森

(黑龍江省大慶地區防洪工程管理處，黑龍江 大慶 163311)

無粘結預應力對簡支梁自振頻率的試驗研究

劉 森

(黑龍江省大慶地區防洪工程管理處，黑龍江 大慶 163311)

對4片不同形式布置的預應力筋和混凝土強度的試驗梁模型進行室內試驗研究，梁在不同預應力等級和豎向荷載的條件下，進行自振頻率數據采集，進而找出自振頻率(動剛度)與有效預應力之間的內在聯系，確定預應力變化對不同預應力筋布置形式和混凝土強度等級的梁的影響效果。

有效預應力，頻率，試驗，無粘結預應力

0 引言

目前，在橋梁設計時，有效預應力的值僅僅是根據規范中的理論公式來估算各項預應力損失后計算的[1]，同時在施工過程中，預應力的控制也僅僅停留在施工張拉技術的基礎上。但在實際建設和運營中，許多因素是無法確定的，如施工誤差、施工錯誤、混凝土收縮徐變、預應力損失等，特別是在橋梁建成后的運營過程中，由于混凝土的老化及車輛荷載的重復作用和超載等原因造成混凝土的開裂，以及在施工和設計過程中的誤差等。上述原因都會使結構中實際預應力與設計值有一定的差距[2]。因此，預應力混凝土結構中有效預應力的測試評估就顯得尤為必要。

國內外許多研究工作者在預應力橋梁動力特性的理論研究和試驗分析等方面做了大量工作，提出了各種分析理論，也獲得了大量研究數據。但是對于預應力如何影響橋梁，各方面的觀點還存在較大的分歧，并未形成統一的理論。但有效預應力的存在必將與結構的某些力學參數有一定的關系，如結構動剛度(頻率、阻尼)[3]。本論文的目的就是通過分析有效預應力與結構自振頻率間的關系，以反映預應力鋼筋的受力狀態。

1 試驗簡介

1.1 試驗梁設計

本次試驗設計制作了4根結構形式相同，但預應力筋布置不同的試驗梁，截面尺寸均為200 mm×200 mm，梁總長為3 100 mm，計算跨徑為3 000 mm，預應力筋采用1束7Φs15.2 mm的1860級鋼絞線，公稱截面面積為139 mm2，錨墊板采用200(100)mm×200 mm×10 mm的Q235鋼板，底部和頂部主筋分別采用2根直徑為12 mm的HRB335鋼筋，箍筋采用直徑為8 mm的R235鋼筋，設計混凝土標號采用C30和C40，4根試驗梁預留管道預應力筋張拉后均不灌漿，確保預應力筋處于無粘結狀態。P1梁的縱向預應力筋為通過截面形心的直線預應力筋，P2梁為存在5 cm偏心距的直線預應力筋[4]，P3，P4梁為曲線配置預應力筋，P3梁采用C30混凝土，P4梁采用C40混凝土，試驗梁的構造示意圖如圖1所示。

1.2 試驗梁材料性質

為確保試驗和理論計算的準確性，在進行動力試驗前對材料性質進行試驗，各試驗材料參數見表1，表2。

表1 鋼材力學指標

表2 混凝土力學指標

1.3 動力試驗

本次試驗的儀器設備有：DHDAS-5937動力測試系統、壓力傳感器、穿心式千斤頂、位移計、應變片、裂縫觀測儀和沖擊錘等。

混凝土梁中微小裂縫會對梁的動力參數產生明顯的影響，因此明確預加力的大小將使梁中產生拉應力及裂縫至關重要。本文張拉控制應力的控制條件為梁不失穩、出現反拱時受拉區不產生裂縫。試驗時分級張拉預應力筋，并逐級量測各試驗梁的頻率，經計算試驗梁的最大張拉控制應力為120 kN，每級預應力筋的張拉力通過壓力傳感器進行控制。

在試驗梁的支點，L/8，L/4，3L/8，L/2截面以及對稱截面的頂面各布設一個加速度傳感器，共9個測點，如圖2所示。

2 試驗結果分析

記錄在每級縱向荷載作用時試驗梁自由振動的頻率。對這四種無粘結預應力簡支梁的前兩階自振頻率進行計算，試驗中不考慮混凝土材料的非線性特性。通過采用傅里葉變換(FFT)、頻率分析，得到試驗梁的頻率、振型。

2.1 頻率隨預應力大小變化

P1～P4梁前兩階頻率值與預應力值的回歸方程見表3。

表3 P1～P4梁前兩階頻率值與預應力值的回歸方程

P1～P4梁頻率隨預應力變化曲線如圖3～圖10所示。

由表3的線性回歸方程知試驗所選4片梁(P1，P2，P3，P4)的一、二階頻率變化均與預應力變化有著較好的相關性，且效果較好。相關系數均為負數和圖3～圖10可以看出預應力混凝土梁的實測頻率隨預應力的增加而總體呈現出減小的趨勢。豎向加載后的試驗梁的一、二階實測頻率也隨預應力的增加而減小，且加載后的一、二階頻率均不大于豎向加載前試驗梁的頻率。

在預應力增加至120 kN左右時：P1梁加載前一階頻率減少0.44%、二階頻率減少0.56%，加載后一階頻率減少0.29%、二階頻率減少0.56%；P2梁加載前一階頻率減少5.77%、二階頻率減少5.52%，加載后一階頻率減少6.02%、二階頻率減少5.51%；P3梁加載前一階頻率減少5.03%、二階頻率減少4.52%，加載后一階頻率減少5.48%、二階頻率減少4.97%；P4梁加載前一階頻率減少6.00%、二階頻率減少5.42%，加載后一階頻率減少6.27%、二階頻率減少4.75%。

2.2 頻率隨預應力筋布置變化

P1～P3梁不同預應力筋布置對梁頻率影響的對比如圖11，圖12所示。

由圖11，圖12知，P2梁一、二階頻率變化最明顯，P1梁一、二階頻率變化較小，表明預應力對通過截面形心的P1梁一、二階頻率影響要小于預應力對其余兩片存在偏心距的梁(P2，P3)的影響。預應力對偏心直線預應力筋梁P2的一、二階頻率影響要大于其對偏心曲線預應力筋梁P3的一、二階頻率影響。

2.3 動剛度隨預應力大小變化

根據理論計算公式計算動剛度，動剛度計算匯總表見表4。

表4 P1～P4梁動剛度計算匯總表

由表4知，P1～P4梁的動剛度均隨預應力的增加而減小。在預應力筋布置形式相同，混凝土強度不同時，預應力對混凝土強度等級高的P4的動剛度影響最顯著。在同等級混凝土強度的情況下，預應力對偏心直管道預應力筋的P2梁影響最大，對預應力筋通過截面形心的P1梁影響最小。

在預應力增加至120 kN左右時：P1梁動剛度減少0.83%；P2梁動剛度減少11.11%；P3梁動剛度減少9.72%；P4梁動剛度減少11.54%。

3 結語

本文通過對4片不同形式布置的預應力筋和混凝土強度的試驗梁模型進行室內試驗研究，得到以下結論：

1)試驗梁的實測頻率隨預應力的增加而呈現出減小的趨勢；不同預應力筋布置形式下，預應力對通過截面形心的P1梁的頻率影響最小，對偏心直線預應力筋的P2梁的頻率影響最大；不同混凝土強度梁的階頻率對比：P4梁的頻率均高于P3梁，說明混凝土強度越高其頻率越高，P4梁的頻率回歸曲線的斜率均大于P3梁，說明預應力對混凝土強度高的梁的頻率的影響比混凝土強度低的梁顯著。

2)根據頻率值計算的動剛度值也隨預應力的增加而減小，在預應力增加至120 kN左右時：P1梁動剛度減少0.83%；P2梁動剛度減少11.11%；P3梁動剛度減少9.72%；P4梁動剛度減少11.54%。

[1] 劉丹娜.利用鉆孔法對在役橋梁進行有效預應力的估計[D].武漢：武漢理工大學,2008.

[2] 謝功元.在役混凝土梁永存預應力試驗研究[D].西安：長安大學,2004.

[3] 繆 偉.預應力簡支T梁有效預應力評估研究[D].西安：長安大學,2005.

[4] 張冬久,孫全勝.預應力對PC梁動靜剛度影響的試驗研究[J].低溫建筑技術,2013(7):72-75.

Experimental research of unbounded prestressing to self-vibration frequency of the beam

Liu Sen

(DepartmentofFlood-ControlledManagementofDaqingDistrictinHeilongjiang,Daqing163311,China)

This article through to four slices of different arrangement forms of prestressed steel beam and concrete strength test beam model of indoor experimental study, the test beam under the condition of different prestress level and vertical load, collect natural frequency date of vibration, and then find out vibration frequency (dynamic stiffness) and the inner link between effective prestress, determine prestress change on different arrangement of prestressed steel beam and the influence of strength grade of concrete beam effect.

effective prestress， frequency， test， unbounded prestress

2015-01-04

劉 森(1964- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)08-0173-03

U441.5

A