体外预应力加固钢梁静动力组合实验开发

刘承斌,蒋建群，余世策，胡志华，冀晓华

(浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

目前结构试验的实验教学是培养土木工程专业学生掌握基本实验方法与技能，提高学生的动手能力和创新能力的重要手段。但从我国高校的教学现状来看，结构试验的实验教学仍是一个比较薄弱的环节，培养出来的学生存在理论和实践相脱节，缺乏应用所学知识分析解决问题的能力[1-5]。为培养学生查阅文献、动手、综合分析和独立解决问题的能力，应结合土木工程创新试验课程建设，加大自主性、开放性、探究性和创新性实验项目的开发和应用力度，不断扩大学生受益面。

培养和提高学生能力与实验消耗之间存在一定的矛盾，如何达到一个制约平衡是一个值得考虑的问题[6]。为了尽量减少成本且不降低教学效果，课题组在传统已有的钢梁静载试验基础上,设计了新型的组合结构[7]，在该模型上，可以分别实现静载实验和动载实验，从而对比不同的预应力大小对结构本身静动力特性的影响。

1 体外预应力加固梁结构设计

1.1 设计要求

已有一16号工字钢梁，所用材料为Q235B，计算跨度为2 m，现上部承受一个单独竖向集中荷载120 kN，超过钢梁本身抗弯承载力，需要采用体外预应力的方法进行加固设计，要求绘制各节点图，对构件各部分的内力进行计算，并对实验加载和测试方案进行完善。在静力试验完成的基础上，利用螺栓调节预应力值大小，通过传感器测试工字梁加速度信号，并通过数据采集系统得到自振频率数值，考察两者之间存在的内在关系。

1.2 体外预应力筋的布线方法

布线方法有多种,如直线形、折线形、抛物线形等。直线布置预应力筋简单、方便，但提高承载力作用较小。采用折线形或抛物线形布置预应力筋,能够充分发挥预应力效应，但计算和构造比较复杂。经创新小组对方案优劣集体讨论，最终决定采用直线型布置预应力筋。

1.3 预应力筋设计计算

图1 钢梁加固设计计算示意图

竖向荷载及钢梁尺寸分别为：P=120 kN,x=1 m,L=2 m,H=160 mm,h=60 mm。假定体外拉索预应力值为N，跨中最大弯矩为：

(1)

危险截面的最大正应力需要满足以下强度公式：

(2)

从而得到：

Mx≤215γzWz=31.8 kN·mm

(3)

考虑到精确计算比较复杂，采用简化求解。若不加预应力钢筋，跨中弯矩为：

(4)

所以，预应力钢筋所需承受弯矩为：

ΔMx=(60-31.8)kN·m=28.2 kN·m

(5)

预应力索产生的弯矩为：

ΔMx=N(H/2+h)

(6)

最终求得索力大小为：

(7)

查表，选用一根Φ18预应力螺纹钢筋,可以满足要求。

1.4 锚固端设计

经讨论和计算，选用10.9级M20高强度螺栓，结构钢材为Q235B，构件接触面用喷砂处理[8]。单个螺栓所承受的剪力小于摩擦力，计算如下：

Nv=N/2=52.5 kN≤

(8)

满足承载力验算。所设计完成的结构图和节点图分别为如图2和图3所示。

图2 钢梁拉索组合结构设计图(单位：mm)

图3 锚固节点设计图(单位：mm)

2 实验设计

制作完成的钢梁-预应力索体系的试验功能得到了极大拓展，可以分别完成静载和动载实验，下面分别进行阐述。

2.1 静载实验

预应力的介入可以改善结构的整体受力情况，通过调整预应力的大小，在同等数值荷载作用下，结构的宏观和微观变形将存在明显的区别。

2.1.1 测点布置

钢梁—预应力索体系受力比较复杂，钢梁本身处于压弯受力状态，索为单向受拉。为准确得到其受力状态，需要进行合理的测点布置[9-10]。在模型梁的跨中布置了6个应变测点，在预应力钢筋上布置了两个测点，选用性能良好的502胶水粘贴，外面用防潮蜡封闭。具体布置如图4所示。

图4 测点布置图

2.1.2 实验步骤

具体步骤如下：

1)安装试件，定好加载点及布置好加载设备，进行加载；

2)测读各类数据；

3)调整预应力钢筋数值的大小；

4)重新进行采样；

5)重复上述步骤，最终卸载。

2.2 动载实验

基于既有模型，可以针对预应力对桥梁动力特性影响的机理这一实际工程问题开展研究。明确预应力结构的动力特性受预应力的影响规律，揭示预应力对简支梁桥自振频率的影响原理，为预应力桥梁的动力响应分析及有效预应力的检测方法的研究提供力学理论参考。

2.2.1 测试方法及测点布置

测定结构自振特性的方法主要有自由振动衰减法、强迫振动法和环境随机振动法等[5-6]，原则上任何一种方法都可以测得各种自振特性参数。本文采用自由振动法，给结构一个初位移或初速度使得结构产生振动，因结构的自振特性只与它本身的刚度、质量和材料等固有形式有关，故施加何种方式的力都没有关系。自由振动法的实测框图如图5所示。

图5 自由振动法测试框图

2.2.2 实验步骤

具体步骤如下：

1)布置加速度传感器，连接调试数据采集系统；

2)给定一个初始激励，同步采集时域加速度信号，通过傅里叶变换得到频率值；

3)调整预应力钢筋数值的大小；

4)重新进行采样；

5)重复上述步骤，最终卸载。

3 实验结果及分析

3.1 静载实验

限于篇幅，这里只给出了应力结果，如图6所示，其中加固方式1为施加预应力5.76 kN，方式2表示施加预应力11.76 kN。可以发现，未加固钢梁跨中在加载后，上翼缘和下翼缘的应变明显大于加固后的应变，而腹板处正反面的应变平均值理论上不论是未加固钢梁还是加固后钢梁都应该接近于零，在未加固钢梁上体现出这一特点，但是加固后的钢梁与之差异较大，仔细观察钢梁后发现，在未加载情况下加固后的钢梁自身就向前扭转出了肉眼可见的角度，出现应变上的差异可能是跟这个原因有关。所以给钢梁施加预应力能起到加固钢梁的作用。

(a)下翼缘应变变化情况

(b)上翼缘应变变化情况

(c)中和轴位置应变变化情况

图6 钢梁不同部位应变随荷载变化情况

加固后钢梁预先施加的预应力大小对钢梁加固的作用也很明显，施加的预应力越大，钢梁的翼缘板的应变越小，应变的差值近似等于施加预应力所产生的应变大小。

3.2 动载实验

从实验得到的结果看，钢梁自振频率随索力的变化比较复杂，具体如图7所示。当拉应变小于100 με时，频率增加得比较明显，随着拉应变的增加，频率变化变得非常缓慢，表明此时结构动力特性对索力大小敏感性有所降低。

图7 对应不同预应力下的自振频率变化图

3.3 误差分析

采用体外预应力加固技术，确实能提高工字钢的承载能力，且制作简单经济，但是在实验中也发现，预应力筋的固定还存在一些问题，这方面还有待改进。在收集振动频率信息时只在钢梁上一个点取样，不排除这个点的钢梁结构存在缺陷的可能，对实验结果产生较大影响。

4 结束语

体外预应力加固钢梁静动载试验的开发成功，丰富了原有的试验类型[11-12]，在不增加很大成本的基础上，实现了学生受益面的较大增长，随着实验发展的成熟，可以进入基本型实验。同时能够培养学生的协作精神和团队意识，大大提高了学生的学习兴趣、实际动手能力和科研能力等综合素质，培养了学生的创新意识、沟通与表达能力和团队合作精神，适应了高校素质教育和教学改革的需要，取得了良好的教学效果。