預應力鋼束摩阻損失試驗與有限元分析研究

羅茂林，楊仕力

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

橋梁工程

預應力鋼束摩阻損失試驗與有限元分析研究

羅茂林，楊仕力

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

為了解有效預應力下橋梁結構的受力狀況以及應力分布，對某連續梁橋的長彎預應力筋布置測點，實測了多根預應力筋的摩阻損失值，確定了其摩擦損失參數μ、k值。將測點處混凝土應力實測值與ansys模型在理論摩阻下的計算值對比分析，結果表明，實際摩阻損失率比理論摩阻損失率大11.96%；除個別截面受支承處的局部效應影響外，梁體其他截面受力較為平順，應力的量值也不大。

預應力混凝土結構；預應力損失；摩擦阻力；應力分析

1 鋼束摩阻損失有限元分析模型

某五跨預應力連續梁橋，預留孔道采用金屬波紋管，其理論摩阻參數μ=0.2，k=0.001 5，預應力鋼筋為通長布置。采用ANSYS有限元軟件建立空間模型，混凝土采用solid45單元，預應力鋼筋采用link8單元。計算主要考慮5根通長的預應力鋼筋，其中三根為中腹板預應力筋：FZ1、FZ2、FZ3；兩根為邊腹板預應力筋：FB1、FB2。

考慮到全橋劃分單元數量巨大，遂采用半幅橋來計算，每根預應力鋼筋張拉工況由一個正對稱和一個反對稱的計算結果疊加而得。計算各工況均為單根張拉，僅考慮預應力有效應力下橋跨結構的受力狀況，以及測試截面的應力分布。計算中預應力鋼筋是以理論摩阻力計算出有效預應力值結果。

2 鋼束摩阻損失試驗研究

2.1 試驗與測試方案

試驗研究時同樣考慮上述5根預應力筋，為了確定橋梁結構沿程預應力損失，在全橋的5個控制截面的預應力筋附近布置混凝土應力計，實測斷面見圖1，測點布置見圖2；此外為了確定預應力筋的摩阻損失，以便于測定實際摩阻損失參數，在每根預應力筋鋼束的張拉端與被張拉端各安裝1個穿心式壓力荷載傳感器。試驗時，一端固定，另一端分級張拉至100%后持荷至控制截面應力計和壓力傳感器讀數均穩定為止，此時記錄應力計和傳感器讀數。

圖1 實測斷面(PM28為張拉端)

圖2 截面應力測點圖

2.2 試驗結果與分析

對5根長彎預應力筋進行張拉試驗，試驗結果見表1。

表1 長彎預應力筋摩阻損失實測值

規范中預應力鋼筋與管道壁之間的摩擦引起的預應力損失計算公式為

σl1=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

γ=σl1/σcon=[1-e-(μθ+kx)]=(P-P1)/P

(2)

γ稱為預應力摩阻損失率，P、P1分別為預應力鋼束張拉端荷載和錨固端荷載。

通過鋼束錨固端的荷載傳感器可測得錨固端荷載，從而得知各鋼束的摩阻損失率γ，簡化式可得

ln(1-γ)=-(μθ+kx)

將表1中FZ1和FZ2各數據代入式，可得μ=0.23，k=0.004。為了驗證結果的合理性，對試驗中其余三根預應力筋數據代入驗算，結果證明了參數取值μ=0.23，k=0.004的正確性。

摩阻損失率理論值和實測值見表2，表中理論值是由理論摩擦損失參數μ、k值推算而得，由表2可知，不同的μ、k值對摩阻損失率有較大的影響，長彎預應力筋的實測摩阻損失率比理論摩阻損失率大11.96%。

表2 摩阻損失率

3 摩阻損失下梁體應力分析

3.1 理論計算應力結果

計算提取結果的截面同實測截面，各截面提取結果位置對應測點位置，即同布置混凝土應力計的測點。

對于每個測點位置處，將“對稱工況”結果與“反對稱工況”結果疊加即為該測點的對應于預應力鋼筋張拉100%時的理論計算結果。各測點有限元計算結果和實測值見表3；部分截面應力分布結果見圖3、圖4。

圖3 FZ2張拉一半正對稱工況截面2軸向正應力(σz)分布結果(Pa)

圖4 FB1張拉一半正對稱工況截面5軸向正應力(σz)分布結果(Pa)

3.2 摩阻損失下梁體實測應力與理論對比分析

從圖3可知：混凝土梁體截面受力較平順，其應力水平較低，該截面混凝土受力并不顯著，梁體上部截面承受壓應力，下部截面受拉應力；最大壓應力為0.529 MPa，出現在中腹板與頂板相交處，最大拉應力為0.123 MPa，出現在底板處。結合該截面在反對稱工況下的應力分布可知，FZ2張拉后測點處疊加后的壓應力僅為0.451 MPa，由表3可知，實測壓應力為0.372 MPa，其壓應力理論值大于實測值，這與有限元計算中理論摩阻μ、k值較實際值偏小相一致。

由圖4可知：梁截面受力呈現沿梁高并不均勻分布的情況；梁體上部截面承受拉應力，下部截面受壓應力；最大壓應力為1.56 MPa，出現在邊腹板與底板相交處，最大拉應力為0.345 MPa，出現在頂板處；結合其反對稱工況下的應力分布可知，測點處疊加后的壓應力為1.961 MPa，其值大于實測值1.452 MPa。

從表3可知，各預應力鋼筋對應測點位置附近混凝土受力并不顯著，各點應力值均小于2.0 MPa；除了FZ1的4號截面和FZ3的3號截面外，其余各測點混凝土壓應力實測值均比計算值小，這與有限元計算中理論摩阻μ、k值較實際值偏小相一致。

表3 測點位置混凝土應力 MPa

4 結 論

通過現場試驗實測了各預應力筋的摩阻損失以及對應測點的應力狀況，并建立ansys空間模型分析了測試截面應力分布情況。得到結論如下：

(1)通過現場試驗實測并推算出長索在張拉階段預應力摩擦損失計算參數μ=0.23，k=0.004；

(2)實際摩擦損失參數和理論摩擦損失參數的不同將導致摩阻損失率的差異，實測摩阻損失率比理論摩阻損失率大11.96%。實際工程中為了準確估算預應力力損失值，保證工程質量，有必要在現場實測μ、k值；

(3)預應力鋼筋張拉后，在鋼筋張拉壓力及摩阻力作用下，梁體截面受力呈現沿梁高并不均勻分布的情況，這與通常的平面分析結果有明顯的差異，除個別截面受支承處的局部效應影響外，梁體截面受力較為平順，應力的量值均小于2.0 MPa。

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Experimental Study and Finite Element Analysis on Friction Loss of Prestressed Tendons

LUO Mao-lin，YANG Shi-li

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to investigate the force condition and the stress distribution of bridge structure under the effective prestressing force, load sensors and stress meters are arranged , the friction loss values of prestressed tendons were measured, and the friction loss parameter μ and k were determined. Comparing the measured value of concrete stress with the calculated value, the results show that the actual friction loss rate is 11.96% greater than the theoretical friction loss rate. In addition to the local effects of the individual sections affected by the support, the stress of other beam section is relatively smooth,the stress value is not large.

prestressed concrete structure; prestress loss; frictional resistance; stress analysis

2017-01-19

羅茂林(1992-)，男，四川成都人，碩士研究生，研究方向：橋梁結構試驗研究，橋梁結構檢測試驗與性能評定。

U446

C

1008-3383(2017)02-0079-02