某27 m跨混凝土梁预应力张拉测试研究

王慧平 黄全超

(1.中石化胜利建设工程有限公司，山东 东营 257000； 2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033)

某27 m跨混凝土梁预应力张拉测试研究

王慧平1黄全超2

(1.中石化胜利建设工程有限公司，山东 东营 257000； 2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033)

结合某石油化工研究院建设项目中的27 m跨缓粘结预应力混凝土梁，探讨了缓粘结预应力混凝土梁的施工监测与有限元分析方法，对预应力筋张拉过程中的关键点进行了应变数据采集，并与有限元分析得到的结果进行了对比，可为大跨度缓粘结预应力混凝土梁的施工控制、研究提供参考。

缓粘结，预应力混凝土，施工监测，有限元计算

1 概述

作为一种性能优良的结构形式——预应力混凝土结构被广泛用于土木工程结构中，但传统施工工艺浇筑的预应力混凝土结构都存在着各自无法克服的缺点，有粘结预应力混凝土结构构件需预留孔道—穿束—压浆等复杂而繁琐的施工工序问题，无粘结预应力混凝土结构构件后期易造成预应力筋与锚具的疲劳，且施工质量难以保证。随着超效缓凝剂的研制成功，缓粘结预应力体系应运而生。缓粘结预应力混凝土是近二十年出现的一种新型预应力体系[1-5]。

缓粘结预应力结构在我国土木工程领域已经得到了广泛使用，某石油化工研究院建设项目是集科研办公，机关后勤办公、实验室和学术交流等功能于一体的科研实验用房。该项目的A2建筑设有室内篮球场兼羽毛球场，该室内篮球场兼羽毛球场采用了27 m跨跨度缓粘结预应力混凝土梁。

在大跨度预应力的设计施工中，由于实际的材料性质、荷载情况、施工条件以及其他外界因素的影响，单纯地从理论上预测工程中可能遇到的问题是不现实的，这就有必要在预应力张拉时对混凝土构件进行监测[6，7]。本文结合工程实例，对27 m跨跨度缓粘结预应力混凝土梁进行了施工阶段的监测，并利用MIDAS软件对该梁进行了有限元模拟，并将监测结果与有限元分析结果进行了比较分析。

2 试验概况

2.1 预应力混凝土构件

本文以2014年10月28日开始浇筑的大跨度缓粘结预应力梁为研究对象，该梁截面尺寸宽度为：0.5 m、高度1.5 m、跨度27 m，使用C40商品混凝土，在浇筑完后，覆盖塑料薄膜进行养护，28 d龄期时张拉预应力钢筋。

2.2 试验方案

本次现场监测参数包括钢筋应变、混凝土应变；监测测点主要布置在跨中和端部的位置。共布置2个钢筋测点和14个混凝土测点，应变片粘贴方向与构件轴线一致，并对其进行编号。7号和15号为钢筋应变片，1号～6号和8号～14号为混凝土应变片，粘贴位置见图1，图2。

2.3 加载程序及加载稳定时间控制

按照缓粘结预应力混凝土梁设计要求，采用千斤顶加载方式张拉预应力钢筋，分级逐级施加荷载[8]。以试验梁跨中侧面低部的测点为控制测点，每级加载后立即测读应变值，计算其与加载前应变值之差值Sg，随后每隔2 min测读一次，计算前后读数的差值ΔS，并计算相对应变值差值：m=ΔS/Sg，当相对读数误差m值小于1%时，即认为结构基本稳定，可对观测点进行读数。

3 有限元模拟介绍

对于本工程的大跨度缓粘结预应力混凝土梁，采用MIDAS有限元分析软件进行模拟，分析中对于预应力钢筋强度及面积按原设计进行定义；对于混凝土强度，在正常养护的条件下，混凝土强度将随龄期的增长而不断发展，最初7 d～14 d内强度发展较快，以后逐渐缓慢，28 d达到设计强度[9]；据此，在MIDAS中，定义了混凝土强度随时间的发展规律。

4 结果对比分析

4.1 有限元分析结果

图3是张拉14根预应力筋后的纵向总体应力分布图。根据模型分析结果，板中主要是拉应力，最大拉应力为0.98 MPa，小于混凝土的抗拉强度。预应力梁中主要是压应力，最大压应力在梁跨中底部，为-1.62 MPa。

图4为张拉14根预应力筋后的梁纵向应力分布图。从模拟结果可以看出，梁中主要为压应力，最大压应力在梁跨中底部。

4.2 有限元分析与监测结果

表1给出了测点1，3，6和8～15在预应力筋张拉过程中应力模拟结果以及实际监测结果(其中7号钢筋应变计已损坏，表1中未列出)。

表1 预应力筋张拉过程中各监测点应变模拟结果 με

测点编号张拉根数/根2571014分析监测分析监测分析监测分析监测分析监测1-1.9-3.2-9.3-12.1-13.3-17.6-24.4-26.1-36.6-40.73-5.3-7.1-12.7-14.1-17.6-20.4-29.4-31.5-42.1-44.76-7.5-11.8-18.9-20.5-25.0-25.8-37.4-40.3-50.0-49.18-1.7-3.0-7.9-10.3-11.5-15.3-18.9-23.3-23.7-30.911-5.3-7.8-11.2-15.5-15.3-20.9-23.7-28.6-32.6-35.714-7.1-11.8-15.1-20.1-20.0-27.5-28.7-32.3-37.8-39.4

依据有限元分析结果以及表1数据可以看出，随着预应力筋张拉根数的增加，梁内部应力也在增加。当14根预应力筋全部张拉完后，在梁跨中底部出现最大压应变为-50.0 με。在外荷载作用时的受拉区混凝土内力产生的压应力，可以用于抵消或减小由温度、收缩效应引起的拉应力和外荷载产生的拉应力，使结构在正常使用的情况下不产生裂缝或者裂得比较晚。

4.3 测点6的应变变化

由表2和图5可以看出，在张拉2根和张拉10根后，应变差值分别为4.3 με和2.9 με。但在张拉7根和张拉14根后，差值较小，分别为0.8 με和0.9 με，其中在张拉14根后，实际应变比模拟应变小。

表2 测点6的有限元模拟与实际监测应变值 με

张拉根数/根2571014有限元模拟值-7.5-18.9-25.0-37.4-50.0实际监测值-11.8-20.5-25.8-40.3-49.1

5 结语

由以上各个测点的模拟应变和实际监测应变数据可以看出：实际监测应变要比有限元模拟的应变大。但各个测点的模拟结果和监测数据都显示为应变随预应力筋张拉根数的增加而不断增大。对于工程结构而言，有限元建模所得到的数值结果与实际测试结果之间总会存在一定的差异，产生这些差别的因素来自两方面：

一方面是有限元建模误差，另一方面是实验误差。

有限元建模误差主要包括：

1)建模简化带来误差；

2)建模参数的设置存在误差；

3)有限元理论本身的误差。

实验误差主要包括：

1)测量数据本身可能存在误差；

2)测试条件带来的误差。

这些差别难以通过改进建模技术或计算的方法来消除，在工程应用中，一般认为实验数据更为准确可靠，为了提高有限元模型的可靠性，需要不断的对有限元模型进行修正。

[1] 董谢明.缓粘结预应力筋施工技术及其应用[J].桥梁工程,2001(1):31-36.

[2] 刘文华,朱 龙，刘立军，等.新型缓粘结预应力体系的试验研究[J].中国港湾建设,2009,1(2):25-32.

[3] E.J.Sapountzakis,J.T.Katsikadelis. Analysis of Prestressed conerete slab-and-beam Structures[J]. ComPutational Meehanies,2001,27(1):492-503.

[4] 肖 丽,王新海,盛兴跃.缓凝剂对水泥混凝土性能影响的试验研究[J].公路交通技术,2007,32(2):25-28.

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[6] 石德斌,程浪舟，朱文清.大跨度变截面预应力混凝土连续梁桥施工监控[J].铁道标准设计,2006(2):51-53.

[7] 刘小云.复杂结构施工监测分析与研究[D].西安：长安大学,2009.

[8] GB 50009—2001，建筑结构荷载规范(2006年版)[S].

[9] 金贤玉，沈 毅，李宗津.高强混凝土的早龄期特性试验研究[J].混凝土与水泥制品，2003(5):5-7.

On prestressed tension test of some 27-meter span concrete beam

Wang Huiping1Huang Quanchao2

(1.SinopecPetroleumConstructionShengliCorporation,Dongying257000,China;2.SchoolofCivilEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China)

Combining with the 27-meter span retarded-bonded prestressed concrete beam in the projects of some petrol chemical research institute, the paper explores the construction inspection and finite element analysis method in the retard-bonded prestressed concrete beam, undertakes the strain data collection for the key points in the prestressed tensioning process, and compares the results from the finite element analysis, so as to provide some reference for the construction control and research of the large-span retard-bonded prestressed concrete.

retard-bond, prestressed concrete, construction supervision, finite element calculation

1009-6825(2015)32-0041-02

2015-09-06

王慧平(1984- )，男，工程师； 黄全超(1990- )，男，在读硕士

TU378.2

A