2片大比例后张预应力混凝土梁静载试验分析

周文龙，覃荷瑛

(1.桂林理工大学 广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心， 广西 桂林 541004；2.广西岩土力学与工程重点实验室， 广西 桂林 541004)

进入21世纪以后，住宅、工业厂房、基础建设等越来越多采用预应力混凝土结构[1]，在长期服役过程中，预应力钢筋混凝土结构常常面临外荷载、疲劳、腐蚀等不利环境，对其结构产生损伤积累[2]。预应力筋作为预应力混凝土结构的关键因素[3]，牵一发而动全身，因此对于不同线型孔道的预应力筋在大比例预应力梁中的抗弯性能进行研究分析迫在眉睫[4]。

近年来，国内外学者对预应力梁抗弯性能进行了诸多研究，强旭红等[5]对预应力CFRP板加固钢-混凝土梁进行了抗弯性能研究，得出了加固后对梁的极限承载能力有显著提高，同时提高初始预应力有助于延缓钢梁屈服；刘超等[6]通过改变非预应力筋的配筋率，对8根预应力活性粉末混凝土梁进行抗弯试验，结果表明非预应力筋配筋率对试验梁开裂前的抗弯性能基本无影响；万秋实等[7]进行不同预应力等级下碳纤维布混凝土梁静载试验，试验表明使用预应力碳纤维布加固混凝土梁能够有效提高工作性能,施加预应力越大,效果越明显；齐辉等[8]对加固PC梁进行抗弯试验，研究表明施加预应力提高了加固PC梁的抗弯承载力、刚度及FRP板材的利用率，有利于推迟构件开裂和抑制裂缝扩展；在一系列研究中，针对预应力筋线型布置对抗弯性能方面的研究成果还不多，特别是对大比例预应力梁受弯性能研究比较少。

本文以后张预应力混凝土梁为研究对象，通过三分点对称集中力加载抗弯试验，探究预应力筋线型布置对大比例预应力混凝土梁抗弯中的性能影响，希望为工程应用领域提供理论参考。

1 试验概况

1.1 试验梁设计

在桥梁工程中，简支梁结构简单、施工方便、经济合理、受力明确[9]，且高强钢绞线作为桥梁最主流的预应力材料，后张法对高强钢绞线施加预应力有着减轻结构自重，提高其刚度，抑制裂缝开展，减少挠度等优势。故本文采用后张预应力法设计2片大比例预应力混凝土梁模型，为了研究孔道形状对梁抗弯性能的影响，布置了沿中心对称布置的曲线型孔道，和曲线型进行对比分析。

根据GB50010—2019 《混凝土设计规范》[10]及JGJ 369-2016 《预应力混凝土结构设计规范》[11]设计了试验梁。该梁全长7 m，截面尺寸为300 mm×550 mm，保护层厚度25 mm。采用C30商品混凝土，底部纵向受拉钢筋配备2Φ22的HRB400钢筋，配箍率为0.46%；顶部架立筋配备3Φ10的HRB400级钢筋，对称布置；中部腰筋配备4Φ12的HRB400级钢筋，每侧两根；箍筋端部加密区为Φ8@100，非加密区为Φ8@200。为避免梁端在施加预应力期间产生局部破坏，在靠近梁端附近配置间距为50 mm的锚下空间网状加强钢筋，并于梁端增设300 mm×300 mm×10 mm的方形钢垫板。本试验共浇筑2根预应力混凝土梁，编号B1、B2，每根预应力梁布设2根直径为15.2 mm的标准钢绞线，截面面积为140 mm2，极限抗拉强度为1 860 MPa，预埋波纹管成孔，钢绞线编号规则为：T1、T1'分别为B1梁内两根钢绞线的编号,T2、T2'为B2梁内两根钢绞线的编号。试验梁截面尺寸及配筋示意图如图1～5所示。

图1 试验梁结构(单位：mm)

图2 直线型孔道梁B1预应力钢绞线布置(单位：mm)

图3 直线型孔道梁B1截面(单位：mm)

图4 曲线型孔道梁B2预应力钢绞线布置(单位：mm)

图5 曲线型孔道梁B2截面(单位：mm)

1.2 试验梁浇筑及张拉

1.2.1 试验梁浇筑过程

模板采用红木模板，定制尺寸300 mm×550 mm×7 000 mm，保护层厚度为25 mm，拼接处钉牢以防止漏浆，对内膜刷油方便后期的脱模。将钢绞线穿过波纹管后固定在预先设计好的位置，波纹管采用塑料波纹管，内径36 mm，外径40 mm，在离波纹管两端1 000 mm处留2个灌浆孔道[12]。在模板内四周及两侧各放置1块25 mm厚素混凝土试块，用来固定梁。试验梁采取现浇施工工艺，为了保证浇筑质量，全程对其监督。浇筑完成后养护48 h方脱去侧模，且浇筑完成28 d后方可进行张拉试验。

1.2.2 试验梁张拉过程

试验梁张拉时，采用量程为50 t的手动液压千斤顶，垫板与千斤顶之间放置量程为30 t的压力传感器，张拉时钢绞线一端张拉，试验梁两端同时张拉，为保护预应力钢绞线，同时提高钢绞线的粘结力，减少孔道摩擦，在张拉完成后48 h内需对其预留孔道进行灌浆，灌浆15 d后方可进行加载试验。

1.3 试验过程

试验采用三分点集中加载，分别在跨中、两加载点、两支座处各布置百分表，用来测量试验梁在加载过程中的挠度变化及支座位移变化；同时在梁上、下表面及侧面粘贴电阻应变片，记录预应力混凝土梁的变形情况；电阻应变片数据由DH3816动态信号采集分析系统自动采集，电阻应变片布置及现场实况如图6，7所示。

对2片预应力混凝土梁分别进行三分点集中加载,总长7 000 mm,净跨6 300 mm,两加载点相距2 100 mm，具体步骤如下：

1) 预加载:分三级进行，加载至30 kN，每级加载10 kN后稳定2 min，检查各仪器仪表是否正常工作，结束后对各设备重新调零；

图6 电阻应变片平面布置

图7 现场效果

2) 正式加载:以每级10 kN逐级加载，每级加载完毕后保持荷载10 min，记录应变仪、百分表和解调仪中心波长数据，并观察试验梁表面是否开始出现裂缝；

3) 开裂后，认真观察裂缝扩展情况和新裂缝出现情况并进行标记，用裂缝探测仪去记录裂缝宽度，同时记录预应力混凝土梁的挠度;

4) 继续加载，当实验梁出现明显较大裂缝时，立即撤去百分表，然后继续加载至梁完全破坏，记录传感器和各仪器数据。

2 试验现象及结果分析

2.1 混凝土应变分析

2.1.1 平截面假定分析

为验证试验梁应力是否符合平截面假定,将试验梁纯弯段沿截面高度均匀布置的5个应变片记录的测量数据整理，以应变为横坐标，距梁底部高度为纵坐标进行线性拟合，结果如图8～9所示。

(a) A1-A5应变片测量值

(a) A1-A5应变片测量值

通过B1和B2试验梁的应变片测量数据曲线可知，2片试验梁在开裂前基本符合平截面假定。在试验梁开裂前，在试验梁的截面高度上，出现两头大中间小现象，即靠近中和轴处应变小，靠近梁上、下表面呈线性增大。开裂后，开裂处的混凝土应变突然增大，中和轴上移，内力发生重分布，不再符合平截面假定。

2.1.2 弯剪段分析

为了研究试验梁弯剪段在试验加载过程中的应变变化以及裂缝开展情况，在弯剪段均匀粘贴5个45°的应变花。将在试验过程中记录的应变片测量数据整理，以剪力为横坐标，应变为纵坐标进行线性拟合，结果如图10和11所示(注：a1表示为a11、a12、a13三个应变片组成的应变大小，其他的与之相同)。

由图10和11可知，在剪力相等的弯剪段，离支座越远，弯矩和应变也越大，支座处的弯矩几乎等于0，所以支座处的应变花测量值变化较小，与理论相符合。通过计算，应变花的受力方向刚开始为0°～10°之间，随着荷载的增加，受力方向逐渐变化为27°～45°之间，与裂缝开始时垂直向上发展，慢慢地发展成斜裂缝向对应。

(a) a1-a5应变片测量值

(a) a1-a5应变片测量值

通过对应变花的数据进行分析处理验证了试验梁在受弯矩剪力共同作用下的受力性能，通过计算验证裂缝发展的方向与试验梁的主拉应力方向相对应，与规范相一致，属于适筋梁的延性破坏。

2.1.3 梁顶混凝土压应变分析

在整个试验梁的混凝土应变测量中，有代表性的应变测量部位是试验梁受压区边缘混凝土的压应变。由于开裂处的拉应力会变得很大，同时裂缝的开展也可能会对应变的变化产生影响，即裂缝处的应变意义不大。因此对试验梁上表面的混凝土压应变数据进行分析，将3个应变片测量值相加然后取平均值，结果如图12所示。

图12 梁B1、B2压应变曲线

由图12可知，在试验梁开裂前，试验梁的压应变与荷载基本成线性关系，可以认为试验梁上表面承受的压应力是均匀变化的。裂缝出现后，试验梁的受力面积在不断减小。试验梁上表面承受的压应力增加较快，压应变的增长不再呈线性关系。3个应变片的实际测量数据略有偏差，这是由于试验梁上表面不是绝对光滑平整导致，但是压应变的变化趋势是一致的，与理论的变化趋势相符。

2.2 裂缝分析

为了分析试验梁的裂缝发展规律，在试验梁上记录试验过程中裂缝出现的位置、发展趋势以及对应的荷载，试验结束后及时将试验梁上的裂缝绘制到网格纸中，并在CAD中进行等比例绘制，2片试验梁裂缝如图13所示，最大裂缝宽度如表1所示。

(a) 梁B1裂缝

2片试验梁的裂缝发展都经历了3个破坏阶段，与普通的适筋梁破坏形式相似，有明显的破坏征兆。梁B1最大裂缝宽度的实测值为1.57 mm，梁B2最大裂缝宽度实测值为1.66 mm。梁B2的裂缝宽度更大，因为按正弦方式布置的预应力钢绞线在整个试验过程中承受的荷载更大。

表1 最大裂缝宽度对比

2.3 挠度分析

为了分析试验梁的挠度变化，记录每级加载后挠度值，以挠度为横坐标，荷载为纵坐标进行线性拟合，结果如图14所示，最大挠度值如表2所示。

图14 梁B1、B2荷载-挠度曲线

表2 挠度对比

由表2可知，梁B1和B2的最大挠度实测值均比最大挠度理论计算值稍大，大约在1.1～1.2倍之间。实测值比理论值稍大的主要原因是预应力钢绞线布置在试验梁的中间，在底部纵向受拉钢筋屈服后，预应力钢绞线还能承担一部分的荷载，使2片试验梁还能继续承载；曲线孔道的实测值比直线孔道的实测值大，因为正弦布置的预应力钢绞线能承受更大的外荷载。

3 结论

1) 开裂前，混凝土发生延性破坏，符合平截面假定，与理论一致。

2) 开裂后，裂缝经历3个破坏阶段，与普通混凝土梁一致，曲线型梁最大裂缝大于直线型梁。

3) 在加载过程中，曲线型梁最大挠度略大于直线型梁，故实际工程更适应直线型预应力混凝土梁。