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作者：鄭曉敏

   目前，許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，但多為配置普通鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的試驗(yàn)，而針對配置600MPa級高強(qiáng)鋼筋作為非預(yù)應(yīng)力筋的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗(yàn)研究還很少。

  600MPa級鋼筋是一種新型的高強(qiáng)材料，其抗拉強(qiáng)度較高，能夠顯著提高部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗彎承載力。同時(shí)，600MPa級鋼筋是否可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的正常使用性能，尤其是變形性能，具有非常重要的研究意義。因此，本文進(jìn)行了配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎試驗(yàn)，以探討其變形性能。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

  本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5根有粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁，分別以鋼絞線配筋率和非預(yù)應(yīng)力受拉鋼筋強(qiáng)度為變量參數(shù)。構(gòu)件均為簡支梁形式，截面尺寸為400mm×500mm，總長5100mm，計(jì)算長度4800mm。試驗(yàn)梁普通鋼筋保護(hù)層厚度為30mm，預(yù)應(yīng)力鋼絞線形心距梁底為98mm。試驗(yàn)梁截面尺寸及配筋如圖l所示，具體配筋情況見表1，混凝土及鋼筋實(shí)測力學(xué)性能見表2、表3，預(yù)應(yīng)力鋼絞線參數(shù)見表4。試驗(yàn)加載方式為三分點(diǎn)對稱集中加載，如圖2所示。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1  試驗(yàn)現(xiàn)象及基本試驗(yàn)結(jié)果

  配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的荷載與跨中撓度關(guān)系如圖3所示，試驗(yàn)梁的變形性能與普通鋼筋混凝土梁相似，撓度曲線大致分成三個(gè)階段。試驗(yàn)梁開裂前，構(gòu)件處于彈性變形階段，隨著荷載增加，撓度呈線性比例增長，且增長速率較慢。此階段曲線斜率較大，表明構(gòu)件抗彎剛度很大，且基本保持穩(wěn)定。當(dāng)試驗(yàn)梁開裂后，曲線出現(xiàn)第一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，曲線斜率也隨之減小，可見構(gòu)件逐漸進(jìn)入彈塑性變形階段。由于混凝土開裂，裂縫向上發(fā)展，試驗(yàn)梁抗彎剛度隨之減小。當(dāng)600MPa級鋼筋屈服后，撓度曲線并不像普通鋼筋混凝土梁那樣立即出現(xiàn)第二個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼絞線承擔(dān)了更多拉應(yīng)力，有效地抑制了構(gòu)件變形，且在一定程度上彌補(bǔ)了普通鋼筋混凝土梁抗彎剛度的不足。隨著荷載繼續(xù)增加，構(gòu)件變形急劇增大，撓度曲線斜率進(jìn)一步減小，非預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)變達(dá)到約10000με，構(gòu)件宣告破壞。縱觀整個(gè)試驗(yàn)過程，600MPa級鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼絞線協(xié)同工作性能較好，

能夠充分發(fā)揮其高強(qiáng)度，構(gòu)件呈現(xiàn)明顯的延性破壞特征。整個(gè)試驗(yàn)過程的實(shí)測特征荷載結(jié)果見表5。

2.2變形性能影響因素分析

  試驗(yàn)梁L1、L2、L3的荷載與跨中撓度關(guān)系對比如圖4(a)所示。構(gòu)件開裂前，三條曲線近似相同，這表明此階段鋼絞線配筋率對構(gòu)件抗彎剛度影響很小，此時(shí)剛度主要是由構(gòu)件截面形式和混凝土強(qiáng)度等級決定的。當(dāng)各試驗(yàn)梁底部混凝土開裂后，各撓度曲線先后發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)次序隨鋼絞線配筋率增大而依次推遲。此時(shí)，同一荷載下，鋼絞線配筋率越大，撓度越小，且撓度增長速率也隨鋼絞線配筋率增大而依次減慢。當(dāng)600MPa級鋼筋屈服后，撓度增長速率隨鋼絞線配筋率增大而減慢的規(guī)律愈加明顯，最終構(gòu)件破壞撓度值也隨鋼絞線配筋率增大而依次減小。綜上所述，提高鋼絞線配筋率可以有效提高構(gòu)件的抗變形能力。

  試驗(yàn)梁IA、L5、L2的荷載與跨中撓度關(guān)系對比如圖4(b)所示。構(gòu)件開裂前，三條曲線基本重合，且第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置比較接近。隨后，構(gòu)件撓度的增長速率加快，三條曲線斜率近似相等。隨著荷載繼續(xù)增大，試驗(yàn)梁l4和L5的曲線出現(xiàn)第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試驗(yàn)梁L2的曲線沒有發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。最終，與試驗(yàn)梁IA和L5相比，試驗(yàn)梁L2產(chǎn)生了更大的變形，這表明配置600MPa鋼筋部分預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁變形能力較好，延性破壞特征更明顯。

3撓度計(jì)算

  預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的撓度是由偏心預(yù)加力引起的上撓度（即反拱）和外荷載所產(chǎn)生的下?lián)隙葍刹糠炙�組成。由于試驗(yàn)構(gòu)件從制作到進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)間間隔相對較短，所以計(jì)算撓度時(shí)構(gòu)件剛度取短期剛度。

3.1反拱計(jì)算

  配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁在預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉完成后產(chǎn)生的反拱值主要由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上拱值和試驗(yàn)梁自重產(chǎn)生的下?lián)隙冉M成，并且在計(jì)算前者時(shí)，考慮到預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力松弛和混凝土的收縮、徐變尚未完全完成，所以在計(jì)算鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失時(shí)不考慮這兩方面的影響。

試驗(yàn)梁自重產(chǎn)生的跨中截面下?lián)隙戎担?

預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的跨中截面上拱值：

試驗(yàn)梁跨中截面反拱值：

  依據(jù)式(1)、(2)、(3)計(jì)算，各試驗(yàn)梁跨中截面反拱值見表6。

  對比試驗(yàn)梁L1、L2、L3可知，鋼絞線配筋率越高，其反拱值越大。由計(jì)算公式可知反拱值與構(gòu)件自重、截面特性、有效預(yù)壓應(yīng)力和換算截面重心到鋼絞線的距離等因素有關(guān)，因此試驗(yàn)梁L2、LA、L5的計(jì)算反拱值相同。試驗(yàn)梁計(jì)算反拱值均控制在構(gòu)件計(jì)算跨度的1/1000~0.5/1000范圍內(nèi)，表明試驗(yàn)梁截面特性、鋼絞線配筋率等設(shè)計(jì)較為合理。

3.2正常使用階段短期荷載作用下的撓度分析

3.2.1  撓度計(jì)算方法

  鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，在正常使用極限狀態(tài)下的撓度可根據(jù)相應(yīng)的構(gòu)件剛度采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算，所以本試驗(yàn)構(gòu)件跨中撓度計(jì)算公式為：

式中：a為撓度系數(shù)，本試驗(yàn)取23/216；Mk為按荷載標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合計(jì)算的彎矩值；ιo為計(jì)算跨度；Bs為受彎構(gòu)件的短期剛度。

  由上式可知，撓度的計(jì)算主要就是剛度的計(jì)算。由于混凝土材料離散性較大，在試驗(yàn)的不同階段剛度不斷變化，而且開裂截面和非開裂截面處的剛度也不同，所以本文分別對構(gòu)件開裂前和開裂后的剛度及撓度進(jìn)行分析。

3.2.2  試驗(yàn)梁開裂前撓度分析

  我國現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》( JTG D 62-2004)（簡稱《橋規(guī)》）規(guī)定的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件開裂前的短期剛度Bs=0. 95EcIo而現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)規(guī)定的短期剛度Bs=0.85EcIo,所以本文分別采用以上兩種短期剛度計(jì)算跨中撓度值fc1s,fc2s,并且將計(jì)算值與實(shí)測值fs進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表7。

  由表7可知，試驗(yàn)梁開裂前的跨中撓度實(shí)測值fs與計(jì)算值fc1s、fc2s基本吻合，fs/fc1s的平均值為0. 962，變異系數(shù)為0.132，而fs/fc2s的平均值為0. 861，變異系數(shù)為0.132。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用《橋規(guī)》短期剛度計(jì)算的撓度值與實(shí)測值更接近，符合較好。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的撓度值偏大，安全性更高，宜作為計(jì)算控制指標(biāo)。

3.2.3  試驗(yàn)梁開裂后撓度分析

  試驗(yàn)梁開裂后，受拉區(qū)混凝土逐漸退出工作，構(gòu)件抗彎剛度減小。根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50010-2010)7.2.3的規(guī)定：對于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件開裂后的抗彎剛度按照以下公式計(jì)算：

  試驗(yàn)梁破壞前撓度實(shí)測值與按式(5)計(jì)算的撓度值比較見表8。

  由表8可以看出，在屈服荷載作用下，試驗(yàn)梁跨中撓度實(shí)測值與計(jì)算值基本吻合，fs/fcs的平均值為0. 806，變異系數(shù)為0.050。而試驗(yàn)梁破壞前的跨中撓度實(shí)測值與計(jì)算值吻合較好，fs/fcs的平均值為0. 955，變異系數(shù)為0.076。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)梁開裂后至破壞前這個(gè)階段，構(gòu)件抗彎剛度逐漸減小，采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的公式計(jì)算短期剛度合理，同時(shí)對于配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁也是適用的。

3.2.4  試驗(yàn)梁在加載過程中跨中撓度實(shí)測值與計(jì)算值對比分析

  圖5為加載過程中試驗(yàn)梁跨中撓度實(shí)測值與計(jì)算值的對比。從圖中可以明顯看出，整個(gè)加載過程中，試驗(yàn)梁跨中撓度實(shí)測值與計(jì)算值吻合較好，表明配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁在開裂前后，分別按照現(xiàn)行《橋規(guī)》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算短期剛度是合理的，且跨中撓度計(jì)算較為準(zhǔn)確。

4  結(jié)論

  1)配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形性能與普通鋼筋混凝土梁相似，撓度曲線大致分為三個(gè)階段。非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服后，構(gòu)件仍然具有良好的塑性變形能力，600MPa級鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼絞線協(xié)同工作性能較好，能夠充分發(fā)揮其高強(qiáng)度，構(gòu)件呈現(xiàn)明顯的延性破壞特征。

  2)試驗(yàn)梁開裂前，構(gòu)件抗彎剛度近似相同，撓度曲線沒有明顯區(qū)別。試驗(yàn)梁開裂后，隨著預(yù)應(yīng)力鋼絞線配筋率增大，構(gòu)件抗彎剛度依次增大，抗變形能力也隨之增大。當(dāng)非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服后，較400MPa級和500MPa級鋼筋，配置600MPa級鋼筋的構(gòu)件產(chǎn)生了更大的變形，變形能力更好。

3)配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁開裂前，構(gòu)件短期剛度宜按照現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》( JTG D 62-2004)規(guī)定計(jì)算。開裂后至破壞前階段，短期剛度可以按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）規(guī)定計(jì)算。跨中撓度可以參照本文公式(4)計(jì)算�？v觀整個(gè)加載過程，試驗(yàn)梁跨中撓度實(shí)測值與計(jì)算值吻合較好。

5[摘要]通過配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)梁的變形性能及其影響因素，探討了不同階段試驗(yàn)梁的短期剛度和撓度的計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明：配置600MPa級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁變形性能良好，尤其在高強(qiáng)鋼筋屈服后，構(gòu)件仍具有較好的變形能力。同時(shí)，本文建議構(gòu)件開裂前后的短期剛度宜分別按照現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定計(jì)算，撓度計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好。