（固体力学专业论文）体外预应力砼简支梁承载能力研究.pdf

摘要 一一-. . -一. . . . . . . . . . . . . . . 口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -曰 . 一-， 摘要 本文对体外预应力混凝土简支梁从承载能力的因素进行了研究。 在体外预应 力结构中， 体外预应力筋的应力发展不同于体内筋， 相同截面上预应力筋的应变 与主梁的应变并不协调， 在极限状态下， 体外预应力筋的应变不能简单地由平截 面假定来决定。 体外预应力筋在受力作用下随着梁的变形增加， 应力会出 现变化， 变化的大小程度与很多因素有关。 体外筋的应力变化直接影响着体外预应力梁的 承载能力。通过a n s y s 有限元模拟分析，建立了直线型和折线型预应力筋模型， 配置不同间距的转向块和变化的锚固高度， 以 及不同体内 体外配筋， 研究了这些 因素对体外预应力梁承载能力的影响， 同时也对比了将其与无预应力梁和有粘结 体内预应力梁模型。模型中考虑了材料非线性本构关系及几何非线性等。结合 a n s y s 计算建立了十四根小梁包括四根无预应力和十根体外预应力小梁作为试验 的验证。结果表明，a n s y s 对体外预应力混凝土的研究是一个十分有利的软件， 同时本文通过对体外预应力简支梁的试验和理论计算， 得到了在不同体内外配筋 率， 锚固高度的变化以及转向块的在梁中的位置变化的条件下， 对简支梁三分点 加载， 受力筋内力变化， 梁的开裂荷载， 极限承载力以及梁体挠度变化， 探讨了 这些因素对体外筋结构的作用机理。 本文的试验设计突破了工程上高强钢丝无单 束应用的限制。 将高强钢丝两端徽头， 通过高强螺栓反作用拉紧钢丝施加预应力。 本文的 研究成果在为建立体外预应力规范提供了一定的参考依据。 关键词:体外预应力;承载能力;a n s y s ; 应力增量;转向块 华南理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t i n t h e e x t e r n a l l y p r e s t r e s s e d s t r u c t u r e , t h e s t r e s s d e v e l o p m e n t o f p r e s t r e s s i n g t e n d o n i s d i f f e r e n t f r o m t h a t i n i n t e r n a l t e n d o n a n d t h e s t r a i n o f p r e s t r e s s i n g t e n d o n i s i n c o m p a t i b l e w i t h t h a t o f b e a m i n t h e s a m e c r o s s s e c t i o n . i n u l t i m a t e s t a t e , t h e s t r a i n o f p r e s t r e s s i n g t e n d o n c a n n o t b e e a s i l y d e t e r m i n e d b y p l a n e s e c t i o n a s s u m p t i o n . u n d e r t h e l o a d t h e s t r e s s d e v e l o p m e n t o f p r e s t r e s s i n g t e n d o n w i l l c h a n g e a l o n g w i t h t h e i n c r e a s i n g d e f o r m i n g o f b e a m s , a n d t h e c h a n g i n g d e g r e e i s r e l a t i v e w i t h v a r i o u s e l e m e n t s . s t r e s s v a r i e t y o f p r e s t r e s s i n g t e n d o n d i r e c t l y a f f e c t s b e a r i n g c a p a c i t y o f b e a m . s o m e m o d e l s a r e e s t a b l i s h e d i n c l u d i n g : f i r s t , t e n d o n p a t t e r n b o t h l i n e a r a n d f o l d l i n e , s e c o n d , s e t t i n g d i f f e r e n t d e v i a t o r c o n f i g u r a t i o n d i s t a n c e a n d a n c h o r - f i x a t i o n h e i g h t ，t h i r d， v a r i e t y o f p e r c e n t a g e i n a s s e m b l a g e b o t h r e i n f o r c e d b a r i n n e r a n d e x t e r n a l t e n d o n . i t i n v e s t i g a t e t h e i n f l u e n c e o f t h e s e e l e m e n t s o n e x t e r n a l l y p r e s t r e s s e d b e a m c a r r y i n g c a p a c i t y a n d m a k e a c o m p a r i s o n w i t h b o t h c o n c r e t e b e a m w i t h o u t p r e s t r e s s i n g a n d p r e s t r e s s i n g w i t h b o n d . m a t e r i a l n o n l i n e a r i t y a n d g e o m e t r y n o n l i n e a r i t y a r e c o n s i d e r e d . c o m b i n e d w i t h a n s y s f o u r t e e n b e a m s a r e s e t u p a s t h e v a l i d a t i o n o f o u r e x p e r i m e n t , w h i c h c o n s i s t s o f f o u r b e a m s w i t h o u t p r e s t r e s s i n g a n d t e n b e a m s w i t h e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g . r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t a n s y s i s v e r y f a v o r a b l e s o f t w a r e f o r t h e s t u d y o f e x t e r n a l l y p r e s t r e s s e d c o n c r e t e . w i t h t h e e x p e r i m e n t a n d t h e o r e t i c a l c o m p u t a t i o n o f e x t e r n a l l y p r e s t r e s s e d s i m p l y - s u p p o r t e d c o n c r e t e b e a m s , i t o b t a i n r e s u l t a n t p a r a m e t e r i n c l u d i n g c r a c k i n g l o a d , f a i l i n g l o a d a n d f l e x i b i l i t y o f b e a m w i t h t h i r d p o i n t l o a d i n g u n d e r c o n d i t i o n s o f v a r i e t y o f a r e a b o t h i n n e r b a r a n d e x t e r n a l t e n d o n , v a r i e t y a n c h o r i n g h e i g h t a n d d i f f e r e n t d i s t a n c e o f d e v i a t o r c o n f i g u r a t i o n , v a r i a t i o n o f s t r e s s e s b o t h b a r a n d t e n d o n , c r a c k i n g l o a d , f a i l i n g l o a d a n d f l e x i b i l i t y o f b e a m w i t h t h i r d p o i n t l o a d i n g . d i s c u s s m e c h a n i s m o f a c t i o n o f t h e s e f a c t o r s e l e m e n t i n e x t e r n a l l y p r e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e . t h e d e s i g n o f o u r e x p e r i m e n t b r e a k s t h r o u g h t h e l i m i t o f t h e n o t i o n t h a t t h e r e i s n o a p p l i c a t i o n f o r s i m p l e t e n d o n i n e n g i n e e r . u p s e t s t w o s i d e s t e n d o n a n d f a s t e n s t e n d o n t o c r e a t e n p r e s t r e s s i n g f o r c e w i t h t h e t h e o b t a i n e d r e s u l t s o f a i d o f h i g h s t r e n g t h f r i c t i o n g r i p b o l t t h e t h e s i s a r e o f c e r t a i n s i g n i f i c a n c e f o r f o r m u l a t i n g t h e s p e c i f i c a t i o n s o f t h e e x t e r n a l l y p r e s t r e s s i n g s t r u c t u r e . k e y w o r d s : e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g , b e a r i n g c a p a c i t y , a n s y s , s t r e s s i n c r e m e n t , d e v i a t o r 玉 n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体， 均己 在文中以明确方式标明。 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 名 :李 z *日 m : j/ - i 年， 月 if 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打 “ 了 ) 作者签名 导师签名 李,r : ,7u 日期: 日期: 洲哟三9 月2 .-v 日 严 9 “ ” 日 第一章 绪论 第一章绪 论 1 . 1 体外预应力混凝土结构的发展 1 . 1 . 1 体外预应力技术的发展 工程上预应力分粘结型预应力和无粘结型预应力， 体外预应力属于无粘结预 应力的一种。 体外预应力从形状来看就是预应力钢筋布置在梁体之外的一种结构 形式。 从预应力的发展历史上来看， 预应力的概念早在2 0 世纪2 0 年代末已逐步 形成并应用于工程实践。 早期的体外预应力主要应用于桥梁工程， 但由于存在耐 腐蚀性能、转向 块节点构造设计困难等的缺陷，使其在工程中的应用受到限制。 2 0 世纪6 0 年代末期以 来，随着无粘结预应力技术的产生和发展， 解决了体外预 应力筋的防腐问 题，也使设计理论得到进一步完善。 1 9 2 7年，在德国，无粘结预应力技术获得专利。1 9 2 8年德国的 f r a n z d i s c h i n g e r 设计了世界上第一座体外预应力的主跨达6 8 m 的s a m e 桥， 并于1 9 3 4 年获得德国和法国的体外无粘结力筋的技术专利:1 9 3 6 年， s a x e 设计并建成了 主跨6 9 m的a v e 大桥，该桥是用强度为5 2 0 m p a 的钢筋来施加预应力的;在比利 时，1 9 4 8 年和1 9 5 0 年，分别修建了m a n s e 和s c l a y n 桥;在法国， 从1 9 5 0 年到 1 9 5 2 年间，建造了由h e n r i l o s s i e r 设计的v i l l e n e u v e s a i n t g e o r g e s 桥，由 c o i g n e t 设计的v a u x - s u r - s e i n e 桥和p o r t a b i n s o n 桥以 及c a n b i a 桥:在英国， 修建了b o u r n e m o u t h 桥和e x e 桥(1 - 5 1随着二次世界大战的结束， 世界各国争相 要求恢复战争中造成的破坏， 尤其是交通桥梁的破坏。 体外力筋此时在桥梁加固 中占 有一席之地并不断开展其它方面的应用。 但是， 早期体外预应力工程由于没 有解决耐腐蚀防护性能和构造措施方面的问题， 未能体现出工程应用上的优越性， 这导致体外预应力技术在六七十年代基本处于停滞阶段。 6 0 年代末期， 无粘结预 应力和斜拉桥施工两项技术的产生和应用， 解决了耐久性和构造设计的有关问题， 为体外预应力的发展创造了条件。而7 0 年代法国的大量桥梁加固工程则为体外 预应力的发展提供了契机。 在这些采用体外预应力加固桥梁的工程中积累了丰富 的工程经验， 为在建设新桥梁时重新考虑使用体外预应力技术提供了 依据。 到7 0 年代末， 西方国家， 特别是在法国 和美国， 体外预应力混凝土结构达到较大规模 的发展，也带动其它各国的研究和应用。 随着体外力筋防腐措施的改进， 结构形 式和施工工艺的发展， 另一方面由于其它预应力技术存在的缺点， 如后张预应力 灌浆无法保证防腐质量， 预应力筋出 现损伤无法更换等， 促使了体外预应力更加 迅速地发展。 第一章 绪论 第一章绪 论 1 . 1 体外预应力混凝土结构的发展 1 . 1 . 1 体外预应力技术的发展 工程上预应力分粘结型预应力和无粘结型预应力， 体外预应力属于无粘结预 应力的一种。 体外预应力从形状来看就是预应力钢筋布置在梁体之外的一种结构 形式。 从预应力的发展历史上来看， 预应力的概念早在2 0 世纪2 0 年代末已逐步 形成并应用于工程实践。 早期的体外预应力主要应用于桥梁工程， 但由于存在耐 腐蚀性能、转向 块节点构造设计困难等的缺陷，使其在工程中的应用受到限制。 2 0 世纪6 0 年代末期以 来，随着无粘结预应力技术的产生和发展， 解决了体外预 应力筋的防腐问 题，也使设计理论得到进一步完善。 1 9 2 7年，在德国，无粘结预应力技术获得专利。1 9 2 8年德国的 f r a n z d i s c h i n g e r 设计了世界上第一座体外预应力的主跨达6 8 m 的s a m e 桥， 并于1 9 3 4 年获得德国和法国的体外无粘结力筋的技术专利:1 9 3 6 年， s a x e 设计并建成了 主跨6 9 m的a v e 大桥，该桥是用强度为5 2 0 m p a 的钢筋来施加预应力的;在比利 时，1 9 4 8 年和1 9 5 0 年，分别修建了m a n s e 和s c l a y n 桥;在法国， 从1 9 5 0 年到 1 9 5 2 年间，建造了由h e n r i l o s s i e r 设计的v i l l e n e u v e s a i n t g e o r g e s 桥，由 c o i g n e t 设计的v a u x - s u r - s e i n e 桥和p o r t a b i n s o n 桥以 及c a n b i a 桥:在英国， 修建了b o u r n e m o u t h 桥和e x e 桥(1 - 5 1随着二次世界大战的结束， 世界各国争相 要求恢复战争中造成的破坏， 尤其是交通桥梁的破坏。 体外力筋此时在桥梁加固 中占 有一席之地并不断开展其它方面的应用。 但是， 早期体外预应力工程由于没 有解决耐腐蚀防护性能和构造措施方面的问题， 未能体现出工程应用上的优越性， 这导致体外预应力技术在六七十年代基本处于停滞阶段。 6 0 年代末期， 无粘结预 应力和斜拉桥施工两项技术的产生和应用， 解决了耐久性和构造设计的有关问题， 为体外预应力的发展创造了条件。而7 0 年代法国的大量桥梁加固工程则为体外 预应力的发展提供了契机。 在这些采用体外预应力加固桥梁的工程中积累了丰富 的工程经验， 为在建设新桥梁时重新考虑使用体外预应力技术提供了 依据。 到7 0 年代末， 西方国家， 特别是在法国 和美国， 体外预应力混凝土结构达到较大规模 的发展，也带动其它各国的研究和应用。 随着体外力筋防腐措施的改进， 结构形 式和施工工艺的发展， 另一方面由于其它预应力技术存在的缺点， 如后张预应力 灌浆无法保证防腐质量， 预应力筋出 现损伤无法更换等， 促使了体外预应力更加 迅速地发展。 一 一一一一一 一一一一土 壑狂主塑吐 刽塑1 一_ ._ _ 一 最近2 0 多年来，随着对材料和技术的新的认识，体外预应力结构重新得到 了发展， 主要从以下几个方面:高强预应力筋和防腐技术的发展， 高强度的预应 力钢丝，钢绞线的强度可以达到 1 8 6 0 m p a ， 使得体外预应力束的数目减少，降低 了设计和施工的难度， 另外， 斜拉桥、 悬索桥的兴起使预应力索的防护问题得到 不断的发展和完善， 解决了困扰体外预应力结构的棘手问题， 大大促进了体外预 应力结构的发展; 体外预应力技术应用在桥梁工程加固， 由于传统的体内有粘结 预应力混凝土结构， 对混凝土徐变和温度梯度的影响估计不足， 并过低估计了由 于摩擦阻力和钢束松弛引起的预应力损失， 从而导致预应力不足， 一些桥梁严重 开裂， 必须增加预应力进行加固， 而加固的最合理方法就是使用体外索。 当体外 筋的防腐问题解决之后， 其固有的 优点也正在被工程师们所认同， 例如摩阻损失 小， 预应力布置简单及施工简便等; 结构耐久性的要求， 过去大量采用的后张法 预应力工艺的桥梁， 在张拉钢索完毕后，即在管道内灌以水泥浆。实践证明。 灌 浆的饱满程度难以 保证， 其可靠性受到怀疑， 并且水分的侵入导致钢筋锈蚀是不 可避免的。预应力钢索一旦生锈，则很难进行维修。1 9 8 5年，英国威尔士一座 桥梁的 破坏及其它一些后张桥梁的事故， 导致英国 运输部在1 9 9 2 年9 月2 5 日 颁 布命令， “ 在新标准颁布以 前， 不得再采用管道压浆的后张预应力混凝土桥梁” 其理由是这类桥梁中力筋腐蚀难以检查， 也不易更换。 英国运输部的指令在英国 掀起不小的冲击波， 引导人们去更多地考虑先张法及无粘结体外力筋的后张法混 凝 土 结 构 w 体外预应力结构因截面中只有体外预应力筋， 截面的尺寸相应减小， 尤其是 腹板， 从而减小了 恒载; 体外预应力筋套管的布置、 调整容易， 并简化了所有的 后张法的操作， 从而大大缩短了施工时间: 体外预应力筋布置在混凝土截面的外 侧， 在使用期间容易检查和更换:体外预应力筋仅在锚固区和转向块处与结构相 连， 摩阻损失明显减小， 提高了预应力的效益; 由于体外预应力筋设在聚乙烯管当 中， 故能最好地防锈并易于检查质量， 这些优点使体外预应力结构与目 前绝大部 分桥梁设计、 施工和养护技术溶合在一起。 这些优越性正被越来越多的桥梁工程 师所认同。 1 . 1 . 2 体外预应力结构国内外的工程应用 二十世纪， 在世界各国己陆续修建了 一些体外预应力桥， 随着相关的斜拉索 的防护问题不断得以解决完善， 使得与斜拉桥属同一范畴的防腐问题得到了很好 的解决。 与此同时， 桥梁的设计计算理论、 实验研究、 施工方法、 材料制造等方 面得到了 极大的发展。 使得体外预应力这一技术在新的 桥梁建设、 旧 桥加固和改 造以 及桥梁施工中得到了广泛的应用，几乎在世界各地形成了一种趋势。 ( 1 ) 在法国， 几乎所有新建的大型桥梁都是采用体外预应力， 如标准跨径1 1 0 m 一 一一一一一 一一一一土 壑狂主塑吐 刽塑1 一_ ._ _ 一 最近2 0 多年来，随着对材料和技术的新的认识，体外预应力结构重新得到 了发展， 主要从以下几个方面:高强预应力筋和防腐技术的发展， 高强度的预应 力钢丝，钢绞线的强度可以达到 1 8 6 0 m p a ， 使得体外预应力束的数目减少，降低 了设计和施工的难度， 另外， 斜拉桥、 悬索桥的兴起使预应力索的防护问题得到 不断的发展和完善， 解决了困扰体外预应力结构的棘手问题， 大大促进了体外预 应力结构的发展; 体外预应力技术应用在桥梁工程加固， 由于传统的体内有粘结 预应力混凝土结构， 对混凝土徐变和温度梯度的影响估计不足， 并过低估计了由 于摩擦阻力和钢束松弛引起的预应力损失， 从而导致预应力不足， 一些桥梁严重 开裂， 必须增加预应力进行加固， 而加固的最合理方法就是使用体外索。 当体外 筋的防腐问题解决之后， 其固有的 优点也正在被工程师们所认同， 例如摩阻损失 小， 预应力布置简单及施工简便等; 结构耐久性的要求， 过去大量采用的后张法 预应力工艺的桥梁， 在张拉钢索完毕后，即在管道内灌以水泥浆。实践证明。 灌 浆的饱满程度难以 保证， 其可靠性受到怀疑， 并且水分的侵入导致钢筋锈蚀是不 可避免的。预应力钢索一旦生锈，则很难进行维修。1 9 8 5年，英国威尔士一座 桥梁的 破坏及其它一些后张桥梁的事故， 导致英国 运输部在1 9 9 2 年9 月2 5 日 颁 布命令， “ 在新标准颁布以 前， 不得再采用管道压浆的后张预应力混凝土桥梁” 其理由是这类桥梁中力筋腐蚀难以检查， 也不易更换。 英国运输部的指令在英国 掀起不小的冲击波， 引导人们去更多地考虑先张法及无粘结体外力筋的后张法混 凝 土 结 构 w 体外预应力结构因截面中只有体外预应力筋， 截面的尺寸相应减小， 尤其是 腹板， 从而减小了 恒载; 体外预应力筋套管的布置、 调整容易， 并简化了所有的 后张法的操作， 从而大大缩短了施工时间: 体外预应力筋布置在混凝土截面的外 侧， 在使用期间容易检查和更换:体外预应力筋仅在锚固区和转向块处与结构相 连， 摩阻损失明显减小， 提高了预应力的效益; 由于体外预应力筋设在聚乙烯管当 中， 故能最好地防锈并易于检查质量， 这些优点使体外预应力结构与目 前绝大部 分桥梁设计、 施工和养护技术溶合在一起。 这些优越性正被越来越多的桥梁工程 师所认同。 1 . 1 . 2 体外预应力结构国内外的工程应用 二十世纪， 在世界各国己陆续修建了 一些体外预应力桥， 随着相关的斜拉索 的防护问题不断得以解决完善， 使得与斜拉桥属同一范畴的防腐问题得到了很好 的解决。 与此同时， 桥梁的设计计算理论、 实验研究、 施工方法、 材料制造等方 面得到了 极大的发展。 使得体外预应力这一技术在新的 桥梁建设、 旧 桥加固和改 造以 及桥梁施工中得到了广泛的应用，几乎在世界各地形成了一种趋势。 ( 1 ) 在法国， 几乎所有新建的大型桥梁都是采用体外预应力， 如标准跨径1 1 0 m 第一章 绪论 全长约3 k m ，平衡悬臂法施工，跨越海峡的雷岛大桥;顶推法施工，诺曼底大桥 的引桥等等。其主要的原因来自于施工的简易性、 施工质量的可控制性、 成桥后 的可检测性以及能够较明确地判断其耐久性， 所以这种结构形式受到政府的大力 支持。 ( 2 ) 在美国， 体外预应力主要用于逐跨施工的多跨长桥( 大型桥梁的引桥、 城 市高架桥梁和轻轨高速干道等) ， 是唯一与a a s h t o 标准梁或基于这些标准梁的 预 应力混凝土叠合梁相抗衡的结构形式，根本的原因在于其经济性。 ( 3 ) 在日 本，这几年对体外配束结构进行了大量的研究，建造了世界上仅有 的三座坦拉式体外预应力结构。即小田原港桥、冲原桥和蟹泽桥。 ( 4 ) 在英国， 在 1 9 8 5 年一座节段拼装施工体内配束桥梁突然倒塌， 其原因是 由于不成功的压浆使氯化物渗入了孔道， 致使拼装接缝附近的预应力筋发生了严 重的腐蚀。 这次事故及其他一些后张桥梁的事故发生后， 在 1 9 9 2 年9 月2 5 日 英 国交通部颁布命令，在一定的条件下限制采用管道压浆的后张预应力混凝土桥 梁。从而大大约束了体内预应力配筋在工程上的应用，使体外预应力成为主流。 ( 5 ) 在香港、汉城、曼谷、墨西哥等大城市的高架道路和轻轨快速交通干道 上己经大量地使用了体外预应力结构。 ( 6 ) 在德国、比利时、印度、委内瑞拉等国家对体外预应力结构也均进行了 系统的研究和应用于各种结构类型的桥梁。 ( 7 ) 为了促进体外预应力结构的发展和广泛运用，在欧洲成立了体外预应力 协会。 在将完成的欧洲新规范e u r o c o d e 2 的桥梁部分中， 将制定出世界上第一本 体外预应力规范。r l ( 8 ) 在我国，5 0 年代以来，预应力技术得到了迅速发展，但是我国对无粘结 预应力技术的研究始于7 0 年代， 但是在桥梁方面， 体内及体外无粘结预应力的采 用到9 0 年代才开始， 但多数用于旧桥的加固改造上， 真正采用体外预应力进行设 计的桥例并不多。1 9 9 0 年1 2 月建成丹阳的云阳大桥的系杆及吊杆均采用体外力 筋。 1 9 9 2 年6 月建成成都蒲江县雷河桥采用体内无粘结预应力混凝土空心板。 1 9 9 5 年建成通车的汕头湾大桥( 悬索桥) 预应力混凝土加劲梁的纵向力筋中底板索采 用单股带h d p e 防护 套的 镀锌钢绞线组成束股作为体外力筋 o 1 9 9 6 年6 月， 在香 港建成的 蓝巴 勒海峡大桥是我国 第一座大 跨度的 体外预应力桥， 该桥长 4 9 3 米 ( 6 5 m + 3 x 1 2 1 m + 6 5 m ) ， 采用预制拼装结构。 还有沪宁高速公路上的长洪里立交桥， 也采用了体外预应力技术， 该桥是一座三跨连续箱梁桥( 3 5 m 十4 4 m + 3 5 m ) ， 整体现 浇， 体内有粘结预应力和体外无粘结预应力相结合。 进入9 0 年代以 来， 公路和铁 路工程建设迅猛发展， 迎来了我国桥梁建设的黄金时期。 国内各地在桥梁建设中 开始广泛的采用了体外预应力技术。 总之， 我国正面临着道路建设和城市建设的 高峰， 体外预应力技术具有极大的竞争力， 其在我国桥梁建设中有着巨大的应用 华南理 上大学硕士学位论文 前景。 1 . 2 体外预应力技术国内外的研究现状 1 . 2 . 1 国外的研究现状 m u l l e r ( 1 9 8 9 )利用有限元的方法编写了 一个分析体外预应力梁受力性能 的计算程序， 可以用来推测从节点开缝到极限承载力状态简支梁和连续梁的整个 弯矩曲率关系， 并得出体内和体外无粘结预应力梁受力性能在本质上是一样的结 论刁旦 是， 他们的模型没有考虑材料非线性， 没有对所得出的结论进行验证。 1 9 9 3 年， f . m . a l k h a i r i通过有限元方法推出了 一 种推测由 预制构 件组成的 体外预应 力梁桥的弯矩一挠度关系的非线性运算法则。 在研究中他考虑了两种非线性的影 响， 即材料的非线性和预制节段分界处节点的开缝， 并确定了几种重要的极限状 态: 混凝土开裂、 节段间节点的开缝、无粘结预应力筋的屈服承载力和极限承载 力状态。d i c9 . 1 9 9 3 年， k . h . t a n和 a . e . n a a m a n 采用压杆和拉杆模型分析计算了受跨中集 中荷载作用， 且在跨中设置用来固定预应力筋位置的鞍座的 体外预应力混凝土简 支梁的极限强度。 1 9 9 3 年， m o h a m e d h . h a r a j l i 进行了1 6 片 梁的 疲劳试验。 试验中 选择了 三 种结构体系: 钢筋混凝土( r c、预应力混凝土( p c ) 及部分预应力混凝上( p p c ) ， 并 选择了 体外预应力筋的布置、 有效预应力的大小和体内 筋的布置三个指标来确定 体外预应力的影响。 试验结果表明: 体外预应力能够增加梁的抗弯强度， 且并不 降低梁的延性和极限变形; 它有效地控制剧烈荷载条件下地控制裂缝和改善梁在 使用荷载下的挠度明显地减小由 循环疲劳荷载而产生的工作荷载挠度; , l 可以 增 加 梁的 疲劳寿命 等。 体外预应力是加固 和改善混凝土构 件的 一种很有 效的 技术。 1 9 9 5 年， g o n z a l o r a m o s和 a n g e l c a p a r i c i o采用数值模型分析了 体 外 预应力混凝土桥。 这种方法可以计算分析简支、 连续、 整体或节段式体外预应力 混凝上 梁桥， 并可分析 在任何荷载水平下 的 预应力钢筋的真实 应力。 网c a 1 9 9 5 年， h i n d i 则 主要研究了体外预应力束与 构件连接数目 、 体内 束( 灌浆 和未灌浆 及节点类型对体外预应力拼装箱梁强度和延性影响。 研究表明 ， 提高体 外预应力束与梁连接的数目 或者对体内 束灌浆可以 提高梁的强度。 环氧树脂节点 与干节点相比， 由于开裂方式更合理， 所以 环氧树脂节点跨比干节点跨能提高强 度、 挠度和延性叫。 1 9 9 6 年， m . a . p i s a n i t 所用的 数值算 法是有限 差分法， 考 虑了 二次 影响、 大 位移和轴向变形， 忽略剪切变形、 转向块与体外预应力筋之间的摩擦力， 采用梁的 弯曲曲 线是连续函 数的假设， 其数值模型解释了 钢筋混凝土梁和预应力混凝土在 华南理工大学硕士学位论文 前景。 1 2 体外预应力技术函内外的研究现状 1 2 1 国铃的磷究现状 m u l l e r ( 1 9 8 9 ) 利用有限元的方法编写了一个分析体外预应力粱受力性能 的计算程序，函：以硐来推测从节点开缝到极限承载力状态倚支粱和连续梁的整个 弯矩监率关系，并得出体内和俸外元粘结颈廊力粱受力性艟在本质上是一样豹结 论。但是，他们的摸型没有考虑材料非线性，没有对所得出的结论进行验迁。1 9 9 3 年，f m a l k h a i r i 通过有限元方法推出了一种推测e ；= | 预制构件组成的体外预应 力粱桥的弯矩挠度关系的非线性运算法则。在研究中他考虑了两种非线性的影 响，即材料的非线性和预制节段分界处节点的开缝，并确定了几种重要的极限状 态：混凝士开裂、节段间节点的开缝、无粘结预应力筋的嗣服承载力和极强承载 力状态。“。j 1 9 9 3 年，k h + t a n 和a e n a a m a n 采用压杆和拉杆模型分柝计算了受跨中集 中药载作用，且在跨中设置用来最定预应力筋位置的鞍鏖的体外颈应力混凝土俺 支粱的极限强度。 1 9 9 3 年，m o h a m e dh h a r a j l i 进行了1 6 片梁的疲劳试验。试验中选择了三 种结构体系：钢筋混凝士( r c ) 、预应力混凝土( p c ) 及部分预应力混凝土( p p c ) ，并 选择了体外预应力筋的布置、有效预应力的大小和体内筋的布嚣三个指标柬确定 体外顸应力的影响。试验结粜表明；体外预应力能够增加粱的抗弯强度，且并不 降低粱的延性和极限变形；它有效她控制剧烈蘅载条件下土瞧控制裂缝嗣改善粱在 使用荷载。f 的挠度明显地减小由循环疲劳穗载而产生的工作荷载挠度；它可以增 加粱的疲劳寿命等。体外预应力是加固和改羲混凝土构件的一种很有效的技术。 1 9 9 5 年，g o n z a l or a m o s 和a n g e lc a p a r i c i o 采用数值模型分析了体外 预应力混凝桥。这种方法可以计算分析简支、连续、整体或节段式体外预应力 混凝：t 梁桥，并可分析在任何荷载水 f - 下的预虚力钢筋的真实应力。“ 1 9 9 5 年，h i n d i 刚主要研究了体外预应力束与构件连接数目、体内束( 灌浆 和未灌浆) 及爷点类墼对体外预应力拼装箱梁强度和延蛀影晌。研究表晴，提高体 外预应力柬与梁连接的数目或者对体内束灌浆可以提高梁的强度。环氧树脂节点 与干节点相比，出于开裂方式更合理，所以坪氯楗脂节点跨比于节点跨能提高强 度、挠度和延性“。 1 9 9 6 年，m a p is a n i t 所用的数值算法是有限差分法，考虑了二次影响、大 位移和轴向变形。忽略剪切变形、转向块与体外预应力筋之间的摩擦力，采用梁的 弯曲曲线是连续函数的假设，其数值模型解释了钢筋混凝土粱和预应力混凝土在 4 华南理上大学硕士学位论文 前景。 2 体外预应力技术国内外的研究现状 1 . 2 . 1 国外的研究现状 m u l l e r ( 1 9 8 9 )利用有限元的方 法编写了 一个分析体外 预应力梁受力性能 的计算程序， 可以用来推测从节点开缝到极限承载力状态简支梁和连续梁的整个 弯矩曲率关系， 并得出体内和体外无粘结预应力梁受力性能在本质上是一样的结 论刁旦 是， 他们的模型没有考虑材料非线性， 没有对所得出的结论进行验证。1 9 9 3 年， f . m . a l k h a i r i通 过有限元方 法推出了一 种推测由 预 制构件 组成的体外 预应 力梁桥的弯矩一挠度关系的非线性运算法则。 在研究中他考虑了两种非线性的影 响， 即材料的非线性和预制节段分界处节点的开缝， 并确定了几种重要的极限状 态: 混凝土开裂、节段间节点的开缝、无粘结预应力筋的屈服承载力和极限承载 力状态。d i c 9 . 1 9 9 3 年， k . h . t a n和 a . e . n a a m a n 采用压杆和拉杆模型分析计算了受跨中集 中荷载作用， 且在跨中设置用来固定预应力筋位置的鞍座的体外预应力混凝土简 支梁的极限强度。 1 9 9 3 年， m o h a m e d h . h a r a j l i 进 行了1 6 片 梁的疲 劳试验。 试验中 选择了三 种结构体系: 钢筋混凝土( r c、预应力混凝土( p c ) 及部分预应力混凝上( p p c ) ， 并 选择了体外预应力筋的布置、 有效预应力的大小和体内筋的布置三个指标来确定 体外预应力的影响。 试验结果表明: 体外预应力能够增加梁的抗弯强度， 且并不 降低梁的延性和极限变形; 它有效地控制剧烈荷载条件下地控制裂缝和改善梁在 使用荷载下的挠度明显地减小由循环疲劳荷载而产生的工作荷载挠度; ,l 可以增 加 梁的疲劳 寿命 等。 体外预 应力是加固 和改善 混凝土构 件的一 种很有 效的 技术。 1 9 9 5年， g o n z a l o r a m o s和 a n g e l c a p a r i c i o采用 数值模型 分析了体 外 预应力混凝土桥。这种方法可以计算分析简支、连续、 整体或节段式体外预应力 混凝上 梁桥， 并可分析 在任何 荷载水平下 的 预应 力钢筋的 真实应 力。 网c a 1 9 9 5 年， h i n d i 则 主要研究了 体外预 应力束与 构件连接 数目 、 体内 束( 灌浆 和未灌浆 及节点类型对体外预应力拼装箱梁强度和延性影响。 研究表明， 提高体 外预应力束与梁连接的数目或者对体内束灌浆可以提高梁的强度。 环氧树脂节点 与干节点相比， 由于开裂方式更合理， 所以环氧树脂节点跨比干节点跨能提高强 度、 挠 度和延性叫。 1 9 9 6 年， m . a . p i s a n i t 所 用的 数值算 法是有限 差分法， 考 虑了 二次 影响、大 位移和轴向变形， 忽略剪切变形、 转向块与体外预应力筋之间的摩擦力， 采用梁的 弯曲曲线是连续函数的假设， 其数值模型解释了钢筋混凝土梁和预应力混凝土在 第 一 章绪论 体外预应力 作用下从加载 到破坏全过 程的 反应u 1 同年， r o b e r t w o l l 。二 等对体外预 应力 钢绞线的预应力损失 进行了研究 ， 提出了一种用来测量体外预应力钢绞线应变的新方法. 他们用环氧树脂包裹两段 还未受力的钢绞线， 在两段环氧树脂段中心装置两套可以移动的机械应变仪来测 量这段给定标准长度的钢绞线伸长量。由于环氧树脂套管夹住钢绞线， 套管间钢 绞线的性能很相似， 所以这个方法改进了应变片的性能缺陷， 应变片就可以放在 两个环氧树 脂套管间的钢绞线_l 来测量 钢绞线的应变. 这种 测量方法可用 来测量 初始的预应力损失， 并对城市高架桥上的后张法箱梁的1 6 根钢绞线的锚具损失、 摩擦损失、弹性收缩损失及持续一年的徐变损失进行了测量。根据试验结果， 给 出了计 算弹性收 缩的计算公式 。 并对 摩擦损失的计 算公 式进行了 修正 川 。 1 9 9 7 年， k i a n g - h w e e t a n和 c h e e - k l o o n n g 除了 考虑 转向 块和体外 预应力 筋的布置对梁性能的影响之外， 还考虑了有效预应力大小的影响， 通过试验分析 了6 根相同的t 形钢筋混凝土梁用体外预应力加固后的抗弯强度。 试验结果表明: 在没有设置转向块的加固试验梁， 由于偏心距的改变而产生的二次效应将引起其 承载力降低; 而在梁的跨中设置转向块将有效地降低由偏心距的改变引起的二次 效应， 产生满意的受力行为和极限荷载行为: 对于截面尺寸和配筋指标相同的试 验梁，施加相同的有效预压力， 如果增加预应力筋的面积，虽受力行为相似， 但 是强度提高， 破坏时延性降低: 采用较小的有效预应力将增加体内钢筋和体外预 应力钢筋的 应力， 增大裂缝宽 度和挠度， 但延性更 好等u s l 1 9 9 9 年， m . h a r a j l i , n . k h a i r a l l a h 和h . n a s s i f 认为 当进行混 凝土受 弯构 件设计时， 伴随 着构 件挠度增加直至构件破坏的过程中， 体外筋偏心距的变化是 造成体外预应力构件与体内无粘结预应力构件的重要区别。通过参数化研究方 法， 评估了 几种对体外预应力混凝土梁的二次效应、 结构承载力和体外筋应力增 量等的影响强度。 这些参数包括;体外筋的预拉力、 转向器的设置、体外筋的纵 向设计、 外荷载的种类等。他们对于体外预应力加固也做了一些研究，结果表明 体外预应力技术是加固混凝上受弯构件个十分有效的技术， 适量的体外预应力 筋可以使挠度显著恢复、工作挠度更小、屈服强度和极限抗弯刚度显署提高， 但 是延 性有所降低u a i 同年， m . a . p i s a n i 通过建立数 学模型的方法对 往复荷 载作用后用体外 预应 力进行加固的梁进行了数值分析。 这种方法首先进行往复荷载下的截面分析来确 定破坏程度与循环作用之间的关系， 当梁的破坏状态被确定后就用一个考虑了体 外预应力影 响的非线 性结 构分析方 法来模拟梁 直到破坏状态时 的工 作性能 阅。 2 0 0 2 年， n i h a l a r i y a w a r d e n a l 和 a m i n g h a l i 通过一 种新的分析方 法，来预 测体内 或者 体外预应力筋 极限 破坏行为。 他们建 立以 节点组合 成的 板状结构 体 系， 预应力筋连接在相应的节点上，这种模型考虑了应力硬化， 儿何和材料的非 华南理工大学硕十学位论文 线性的影响， 体外 预应力 筋的偏心距和转向 块摩擦的因素， 通过计算结果 来验证 体外预应力梁的 试验结果【 1 8 2 0 0 3 年， g h a l l a b 和b e e b y 利用帕 拉菲利聚醋纤维 绳代替 钢筋作为 体外预应力 筋， 避免钢筋的腐蚀， 对1 2 根这样的梁进行抗弯试验研究分析， 考虑了体外纤维 绳的大小， 转向 块的数目， 纤维绳的 预应力度， 混凝土的强 度和梁的 跨高比 等因 素。 从理论上和试验得到了 一致的结果 1 b 同 年， t a n k i a n g - h w e e 和t j a n d r a r o b e r t a 对体外预