關于薄壁混凝土舟預應力施加的研究

譚禮+翁梓航+李晨靜

摘 要：薄壁混凝土舟是一艘由特殊輕質混凝土建造的整體密度小于水的獨木舟。預應力技術在薄壁混凝土舟中對提高船壁強度及整體剛度有重要作用。該文在原有預應力施工方式的基礎上進一步研究，對不同輕質混凝土配比、不同張拉材料、不同張拉方式進行實驗研究，最后總結出最優施加方式：以鋼絞線作為縱向預應力筋，碳纖維作為橫向預應力筋，同時采用碳纖維柵格網作為加強材料。選擇以鋼絞線為預應力筋，選擇碳纖維格柵作為預應力混凝土的加強材料。由于我們建模分析時采用了簡化的舉行模型，并且計算時的支座約束和實際有出入，實際情況與之相比略有出入，我們須適當降低要求提高容錯。

關鍵詞：預應力 薄壁殼體 混凝土輕舟

中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（b）-0063-03

1 項目背景

薄壁混凝土舟是一艘用特殊輕質混凝土建造的整體密度小于水的獨木舟。該獨木舟長約6 m，最寬處約0.67 m，最深處0.35 m，船壁的平均厚度為15 mm。且要求該混凝土舟至少能夠承受4名成年男子槳手的重量，約為3 kN，并且在競速工況中要求具有良好的抗折抗彎性能。

預應力混凝土的實質是采用預先加壓的手段間接提高混凝土的抗拉強度，從本質上改善混凝土容易開裂的特性，這對于輕舟中的薄壁輕質混凝土來說，是十分重要的措施。但是我們在預應力方面還是有很多不足，為了保證混凝土船壁的強度和抗折抗裂性能，并且減少整船重量減薄船壁厚度，我們在預應力方面做了更多的研究。

該文在優化輕質混凝土原材料選擇及配比之后，先后從預應力選材、施加技術、船段性能幾個方面進行實驗，改進已有的預應力技術，提高整船的抗折抗壓能力。

2 理論計算

2.1 整體分析

在分析縱向預應力的效應時，將船體視為預應力薄殼體。為簡化計算，將施加的總拉力在預應力筋上沿長度平均分布并分段考慮預拉應力在橫、縱方向上的分力。預應力筋縱向分力的合力會對截面形心處產生一個與荷載作用相反的彎矩，從而降低了受拉區混凝土中的應力水平。同時，橫向的分力與水壓對外側壁產生的壓力方向恰好相反，抵消了水壓引起的內力，使得混凝土應力水平進一步下降。橫向上，新加入了沿長度方向平均分布的10根預應力筋，在與縱向預應力的共同作用下使混凝土接近三向受壓狀態，從而提高混凝土的承載力。考慮預應力布置后由于長期作用下混凝土徐變與干縮、鋼筋的松弛與收縮，最終造成預應力值損失約為25%。

2.2 縱斷面分析

結構分析目的是確定不同荷載作用下臨界拉、壓應力的大小，并據此確定合適的混凝土配合比和預應力手段，來確保輕舟能夠滿足以下所考慮工況下的使用要求。考慮到薄壁混凝土舟普遍發生的裂縫問題，經過計算分析后，在原有基礎上新增了橫向預應力的探索。

總共考慮兩種工況下的作用：競速工況和非競速工況。在非競速工況下，船被簡化成簡支梁。前者的支座被置于以船頭為起點的1.5 m與4.5 m處，后者的6個支座沿長度方向對稱分布。在競速工況下，男性和女性槳手的重量為75 kg和60 kg點荷載對稱加載在截面計算。在計算時將船倒置，劃手的重力方向反向后作為支座反力抵抗倒向后的船所受的重力和浮力荷載。在考慮以上荷載在縱向上的效應時，由歐拉-伯努利梁理論得到不同工況下的彎矩分布情況。其中最大正負彎矩的情況分別出現在男子雙人競速與展示的工況，由此得到最大壓、拉應力均出現在船舷處。

由于4個槳手在船上對船身產生的彎矩（不考慮方向）小于2個人在船上的情況，并且將水的浮力近似為均布，反過來考慮得到如圖1、圖2所示模型（由于點位的轉動受水面的約束，真實情況介于鉸接和固接之間）。

2.3 橫斷面分析

輕舟斷面可以模擬成一個二維U型截面梁，橫截面的幾何特征包括面積、形心、慣性矩，可由計算機得出。自重、浮力都將根據截面特性采用分段均布荷載的方式施加于船壁。水線位置根據阿基米德原理結合人、船重力總和確定。由于上述模型相當于實際情況把船倒置考慮的，所以我們船的斷面有利于負彎矩，不利于正彎矩，又將斷面進一步簡化轉化為如圖3模型計算（單位cm）：形心距離船底部約為8 cm，只取上下兩端點（設船底和船兩側分別為F1和F2，船底預應力距中性軸7 cm，船壁預應力距中性軸12 cm），則有：如圖4所示，左一為載荷為兩人的情況下受彎產生的應力，中間為船底預應力施加產生的應力圖，右一為船壁預應力施加產生的應力圖。由于水平荷載也會在船內部產生較大的彎矩，故選取水線最深工況進行水平荷載效應分析。男女混合4槳手工況下的水平荷載以均布的方式作用于船壁，僅在計算中考慮槳手對船壁的作用力的水平分項，將船段作為橫向簡支的“U”型構件，計算得到彎矩極值對應的最大拉、壓應力，對比縱向可見，橫向荷載對應力極值并不起控制作用。結合常見輕舟的裂縫分布情況以及不同工況下的應力分布情況，建議在船舷及船肋處使用抗拉能力更高的混凝土材料。

3 材料實驗

3.1 實驗目的

往年我們用的是碳纖維筋，但是沒有完整的理論計算和系統的實驗數據支持。包括預應力筋自身的強度及變形性能，與混凝土的粘結性能等，都需要進一步的探究。因此我們進行了若干次材性實驗進行比較，選擇更合適的預應力筋材料。

薄壁混凝土本身由于其脆性性能，很容易產生裂紋發生折斷，對我們預應力施工造成了很多困難，因此我們必須采用合適的加強材料，有利于提高混凝土薄壁的強度、抗彎剛度和預應力度[1]。于是我們進行了拔出實驗。

3.2 材性實驗

3.2.1 材性實驗材料

（1）CFRP碳纖維增強復合材料，特點是輕質高強。常用于工程中結構因時間積累，產生結構裂縫后的體外結構加固。該次實驗的CFRP有三種型號：12K-CFRP、24K-CFRP、 24K-CFRP3-7。

（2）鋼絞線是由多根鋼絲絞合構成的鋼鐵制品，和等直徑鋼絲相比有更好的韌性。我們選用的是直徑1～3 mm的鋼絞線。

3.2.2 材性實驗過程

不同種預應力筋的材料力學指標對船體結構的性能有直接影響。項目進行了材性實驗-單軸拉伸實驗。

3.2.3 實驗數據分析

如表1所示四組實驗數據可見，鋼絞線單軸抗拉實驗可承受的最大拉力均值為639.80 kN，遠高于另外三組實驗結果；鋼絞線單軸抗拉實驗的斷裂伸長率為2.68%，同樣遠高于另外三組，有較好的韌性。又考慮到施工過程中碳纖維筋質地脆弱很容易產生磨損，如若使用鋼絞線則不需考慮材料磨損影響。故我們確定以鋼絞線為主要的預應力筋材料，在非主要區域可使用碳纖維筋加以補充。

3.3 拔出實驗

3.3.1 拔出實驗材料

（1）玄武巖纖維，是玄武巖石料在1 450 ℃～1 500 ℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維，是一種新出現的新型無機環保綠色的高性能纖維材料。

（2）玄武巖纖維土工布，是以耐堿耐酸強的玄武巖纖維為原料，編織成格柵布，再經過瀝青（膠）處理后烘干成型，具有很高的抗變形能力。

（3）碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

（4）碳纖維格柵，相對素混凝土而言，在混凝土梁中鋪設編織碳纖維格柵后，其抗彎強度、抗彎韌性和比強度都得到一定的提高。纖維格柵還可以克服鋼筋銹蝕和容重大的缺陷。

3.3.2 拔出實驗過程

實驗過程簡述為：在植筋72 h后，采用拉力計（千斤頂）對所植加強材料進行拉拔實驗。為減少千斤頂對錨筋附近混凝土的約束，下用槽鋼或支架架空，支點距離≥max（3 d，60 mm）。然后勻速加載2～3 min，直至破壞。破壞模式分為加強材料破壞、膠筋截面破壞、混合破壞（上部混凝土錐體破壞，下部沿結構膠、混凝土界面拔出）3種，結構構件植筋，破壞模式宜控制為加強材料破壞[1]。

3.3.3 實驗數據分析

如圖5力-位移曲線圖可見，幾類不同碳纖維柵格性能均遠高于玄武巖柵格，是較為良好的加強材料。其作用類似于普通混凝土中的鋼筋，提高混凝土結構的抗拉抗彎能力。

4 船段實驗

根據理論分析、受力分析的結論，在以往經驗的基礎上，采用三向預應力（增加了橫向預應力），為更好地固定預應力筋采用預制構件。

在混凝土施工之前，就需要在壓實泡沫的船模上放置預制構件（如圖6所示），便于控制高度、位置，拉橫向和縱向的預應力筋（整船施工時還需張拉鋼絞線）。此時船模應與施工平臺牢固地粘結在一起，避免任何相對位移。

由于船截面形狀不利于正彎矩，船舷0.5 MPa的拉應力和混凝土抗壓相比（基本上在5 MPa），僅為其7%～14%，船舷處很薄弱。解決辦法之一是利用抗拉強度達到5 MPa的ECC混凝土（如圖7所示，纖維含量很高，抗拉性能良好），另外就是利用船壁處施加的預應力完成。如果只在船底加預應力會使船舷和船壁兩側開裂更嚴重，必須和兩側的預應力達到一個比值抵消掉彎曲產生的那部分應力。

我們為輕舟專門定制了7 m長的固定橫向預應力的木板，并用上新的固定材料。在張拉預應力之前，對各個定位點都進行準確定位，中線用激光對準。10根相同長度的鋼絞線預應力筋縱向張拉。輕舟的預應力技術突破：縱向預應力筋主要用鋼絞線，并將拉力提升到2 210 N；運用了橫向預應力，定制固定木板和各種固定裝置，拉力為1 500 N；使用橡膠墊將橫縱鋼絞線進行固定；使用激光儀進行定位。

5 結語

由以上實驗結合我們的工程實際，最終選擇以鋼絞線為預應力筋，選擇碳纖維格柵作為預應力混凝土的加強材料。由于我們建模分析時采用了簡化的舉行模型，并且計算時的支座約束和實際有出入，實際情況與之相比略有出入，我們須適當降低要求提高容錯性。另一方面，將一根筋分開為多根有明顯的好處，因為實際過程中底部施加的預應力對兩側的影響已經很小，分開可以擴大影響面，并且降低了剪斷鋼絞線時混凝土的爆裂概率。

參考文獻

[1] 尚守平，彭暉，童樺，等.預應力碳纖維布材加固混凝土受彎構件的抗彎性能研究[J].建筑結構學報，2003，24（5）：24-30.