不同张拉中心与宽高比对钢绞线预应力混凝土梁的影响

摘" 要：以钢绞线预应力混凝土梁为研究对象，通过ABAQUS有限元分析软件建立模型并分析不同张拉位置和不同宽高比对钢绞线预应力混凝土梁整体变形、混凝土应力、混凝土塑性损伤的影响规律。结果表明，改变混凝土梁的宽高比对结构整体变形的影响较小，改变张拉位置能有效控制结构变形，在不同张拉位置、不同宽高比下混凝土应力具有较大差异。

关键词：预应力混凝土；张拉位置；结构变形；宽高比；钢绞线

中图分类号：TU378" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）05-0079-04

Abstract： Prestressed concrete beams with steel strands were taken as the research object， and a model was established using ABAQUS finite element analysis software. The effects of different tensioning positions and various width-to-height ratios on the overall deformation， concrete stress， and concrete plastic damage of the prestressed concrete beams were analyzed. The results show that changing the width-to-height ratio of the concrete beam has little influence on the overall deformation of the structure， changing the tensioning position can effectively control the structural deformation， and the concrete stresses are greatly different under different tensioning positions and different width-to-height ratios.

Keywords： prestressed concrete; tensioning position; structural deformation; width-to-height ratio; steel strand

预应力混凝土梁具有低碳节材、空间跨度能力强的特点，在土木工程建设领域发挥了关键作用，被广泛应用于民用和工业建筑等基础设施当中。预应力混凝土技术的应用对建筑结构的整体质量和力学性能的改善发挥了关键作用[1-2]。在钢绞线预应力混凝土梁的制备过程中，探究不同张拉位置和宽高比对预应力混凝土梁的变形影响具有现实意义。

目前，国内外学者对预应力混凝土结构的变形开展了一定的研究，涵盖了预应力材料、施工技术、设计方法等多个方面。田敏锋等[3]分析了施工顺序对大跨度预应力混凝土结构的变形影响。戎芹等[4]分析了采用钢绞线张拉预应力混凝土时，预应力混凝土结构钢绞线有效应力的变化规律，对轴应变进行了修正。王丹涛等[5]采用数值分析的分析方法，对大跨度预应力混凝土框架结构在施工过程中的变形特征进行了研究。张建仁等[6]针对预应力钢绞线锈蚀对预应力混凝土开裂问题进行了研究。熊学炜等[7]采用数值分析，针对超长预应力混凝土结构的张拉方案进行了研究，将后浇带同步浇筑并同步张拉、后浇带分批浇筑并分段张拉下的内力分布和变形规律进行了对比。

本文通过有限元分析方法，对钢绞线预应力混凝土梁在不同张拉位置和不同宽高比下的结构变形和混凝土塑性损伤展开了对比分析，总结了钢绞线预应力混凝土梁在不同张拉比和不同宽高比下的变化规律。

1" 模型设计

1.1" 模型尺寸设计

在设计模型时，采用跨度为9 000 mm的钢绞线预应力混凝土梁，将梁的宽高比分别设定为1/2、9/20、2/5、7/20和3/10。张拉中心距离梁底端的距离与梁高的比值分别设置为0.5、0.4、0.3。预应力钢绞线的尺寸为1×7-15.2 mm，极限强度值为1 860 MPa，钢绞线的捻距为钢绞线直径的12倍。混凝土强度等级采用C30，在改变预应力混凝土梁的宽高比时，为了保证单一变量，将钢筋混凝土梁的配筋率控制为0.5%，按构造要求配置箍筋。三维示意图如图1所示。

1.2" 张拉方式和网格划分

采用后张法张拉钢绞线预应力混凝土梁，利用一端固定一端张拉的方式进行预应力施加。在ABAQUS中，利用温度场施加预应力[8]，通过对钢绞线实体单元实施降温来实现预应力，即给定一个初始温度值后改变温度降低至室温，将钢绞线的膨胀系数取为5×10-5，钢绞线单元会产生收缩变形，达到施加预应力的效果。采用相同的温度场，将预应力的强度取为极限强度的70%（1 302 MPa）。

在网格划分时，钢绞线和混凝土采用8节点缩减积分实体单元进行划分（C3D8R），箍筋和纵筋采用2节点三维桁架单元（T3D2）进行划分，单元网格均采用80 mm。在ABAQUS中具有CDP塑性损伤模型分析力学性能的功能。考虑混凝土材料受拉和受压所产生的开裂损伤[9]，其损伤过程具有连续性，受压裂缝在受力状态转变过程中不可恢复，刚度恢复因子取ABAQUS默认值。能有效地反映出混凝土在不用宽高比和不同张拉中心下的结构变形和塑性损伤。

2" 有限元结果分析

2.1" 变形分析

如图2所示，将宽高比相同，张拉位置不同的钢绞线预应力混凝土梁的结构变形绘制成变形曲线，分析了宽高比分别为1/2、9/20、2/5、7/20和3/10，张拉位置分别为0.5、0.4、0.3下的结构变形。

在张拉位置相同，宽高比不同时，张拉位置取为0.3，不同宽高比下的结构变形差异性较大。宽高比为1/2时的结构变形较小、宽高比为3/10时的结构变形明显增加、宽高比为2/5和9/20时的结构变形几乎相同。张拉位置为0.4时，宽高比为3/10时的结构变形较大，而宽高比为1/2、9/20、2/5和7/20时的结构变形依次增加，总体相差较小。采用中心张拉时，同张拉位置为0.4时的变化规律相似，宽高比为3/10时的变形较大，宽高比为1/2、9/20时几乎相同，宽高比2/5、7/20时几乎相同。

在宽高比相同，张拉位置不同时，宽高比为1/2、9/20、2/5和7/20时的结构变形随着张拉位置向梁中心的变化依次降低，张拉位置为0.4和0.5时的变形相差较小，张拉位置为0.4和0.3时的结构变形相差较大。而宽高比为3/10时，张拉位置为0.3和0.4时均产生了较大变形，张拉位置为0.5时发生了明显下降。

通过以上分析可知，改变预应力混凝土梁的宽高比对结构整体变形的影响效果较小，当预应力跨度较小，需要增加起拱时，可将预应力张拉位置下移。通过控制张拉中心的位置能有效改变钢绞线预应力混凝土梁的变形。

2.2" 混凝土应力分析

对钢筋混凝土梁施加预应力可以显著提升混凝土构件的刚度和承载能力，能有效降低在荷载作用下产生的徐变和收缩。图3为混凝土应力变化图，通过分析混凝土在钢绞线位置不同、宽高比不同下的应力分布情况，能有效优化预应力布置方案。

在张拉位置为0.3时，宽高比为3/10时的混凝土应力最小，宽高比为9/20时的应力最大。张拉位置为0.4时，宽高比为3/10的混凝土应力最小，宽高比为7/20时的应力最大。张拉位置为0.5，即中心张拉时，宽高比为1/2时的混凝土应力最小，宽高比为9/20时的应力最大。

同一宽高比下，不同张拉位置对混凝土应力的影响存在很大差异。宽高比分别为7/20、2/5、1/2时，混凝土的应力受张拉位置的影响较小；宽高比为9/20时，张拉位置在0.4时的混凝土应力较小，而张拉位置在0.3和0.5时的混凝土应力较大；宽高比3/10时，中心张拉所对应的混凝土应力会显著提升。

利用钢绞线施加预应力时，混凝土的应力状态在不同张拉位置、不同宽高比下的差异性较大，但变化规律不明显。

分析预应力混凝土截面的应力分布情况对于提升预应力混凝土的结构性能、延长使用寿命具有重要意义。如图4所示，通过分析不同张拉位置和不同宽高比下固定端和张拉端的应力分布情况可知，在宽高比相同，张拉位置不同时，混凝土的应力分布情况相差较小，只是位置上的改变。张拉位置相同，宽高比为1/2和9/20时，混凝土的应力分布广泛，以钢绞线为中心固定端呈现梭形发展，张拉端呈现X形发展，宽高比为2/5和7/20时，混凝土的应力分布相对集中，出现在预应力钢绞线处，固定端呈正方形分布，张拉端呈圆形分布。当宽高比为3/10时，固定端和张拉端的应力分布规律相似，受宽高比的影响，3/10时的应力延伸至结构表面，呈现不规则的分布情况。

通过上述分析可知，采用钢绞线施加预应力时，混凝土表面应力受宽高比的影响较大，张拉位置对混凝土应力分布情况影响较小。

2.3" 混凝土损伤分析

混凝土的损伤分析是保证结构安全、延长使用寿命、提高耐久性的重要手段，在预应力混凝土结构中，混凝土的损伤分析关乎着预应力筋的耐久性和失效性。如图5所示，通过分析混凝土损伤变化图可知，张拉位置不同，宽高比相同时，只有宽高比为9/20时的波动较大，宽高比为1/2、2/5、7/20、3/10相差较小。张拉位置相同，宽高比不同时，张拉位置为0.3和0.4时规律一致，宽高比为2/5时的损伤最小，宽高比为9/20时的损伤最严重，中心张拉时，宽高比为1/2时混凝土损伤最严重。

3" 结论

本文采用数值模拟方法，研究了相同宽高比不同张拉位置和相同张拉位置不同宽高比，对钢绞线预应力混凝土梁的整体变形、混凝土应力和混凝土塑性损伤的影响效果，得出以下结论：

1）改变预应力混凝土梁的宽高比对结构整体变形的影响效果较小，通过控制张拉位置能有效改变钢绞线预应力混凝土梁的变形。

2）利用钢绞线施加预应力时，混凝土的应力状态在不同张拉位置、不同宽高比下的差异性较大，而混凝土的损伤情况与宽高比的影响较大，与张拉位置的影响较小。

参考文献：

[1] 蒋方新，陈尚志，邵兴宇，等.超长混凝土结构在使用阶段温度应力下的裂缝控制[J].建筑结构，2021，51（14）：107-111.

[2] 王洪欣，王庆华，黄朝俊，等.大跨度预应力混凝土带肋叠合板力学性能试验研究与工程应用[J].建筑结构，2021，51（13）：110-113，21.

[3] 田敏锋，曹福生.施工顺序对大跨度预应力混凝土结构变形影响研究[J].价值工程，2023，42（13）：4-7.

[4] 戎芹，王旭，侯晓萌，等.预应力混凝土结构钢绞线有效应力测量与评估方法[J].建筑结构学报，2020，41（8）：176-182.

[5] 王丹涛，田佳岐.大跨度预应力混凝土框架结构施工变形特征研究[J].价值工程，2023，42（5）：59-62.

[6] 张建仁，戴理朝，张旭辉，等.预应力影响下混凝土结构锈胀开裂计算[J].中南大学学报（自然科学版），2016，47（9）：3231-3238.

[7] 熊学炜，谢鲁齐，方显，等.某超长预应力框架结构张拉方案分析[J].工业建筑，2023，53（1）：130-134.

[8] 何琳，王家林.模拟有效预应力的等效荷载-实体力筋降温法[J].公路交通科技，2015，32（11）：75-80.

[9] 李伟琛，韩小雷，崔济东，等.基于试验的ABAQUS混凝土塑性损伤参数取值方法[J].结构工程师，2016，32（2）：64-69.