部分预应力钢骨超高强混凝土梁抗弯性能研究

1、部分预应力钢骨超高强混凝土梁抗弯性能研究采用超高强混凝土材料, 同时应用钢骨混凝土和部分预应力技术形成了一种新型的组合梁部分预应力钢骨超高强混凝土梁。 该型式的组合梁利用了超高强混凝土抗压强度高、耐久性优异和可有效控制截面等特点 , 提高梁的配筋率、承载能力、 耐久性和减轻自重； 利用部分预应力技术提高了梁正常使用极限状态下的抗裂性能, 并且部分预应力技术相比全预应力技术更加有利于梁的延性性能；利用内置钢骨改善了超高强脆性破坏导致极限承载力状态后承载力骤降的现象,改善梁的延性性能和耗能能力。因此 , 部分预应力钢骨超高强混凝土梁非常适用于大跨重载桥梁和超高层建筑结构转换梁。 目前 , 仅有我国

2、对预应力钢骨混凝土结构已经开展了一定的研究,取得了一些成果。但对于部分预应力钢骨超高强混凝土结构的研究文献报道较少。 本文采用试验研究、理论分析与数值模拟计算相结合的方法, 对部分预应力钢骨超高强混凝土梁的静力荷载和疲劳作用下的抗弯性能进行了研究。本文所做的主要工作如下： (1) 进行了 4 根部分预应力超高强混凝土梁静力荷载下的抗弯性能试验。 研究了预应力筋高度和预应力筋配筋率对试件受弯性能的影响。试验结果验证了试件平截面假定的成立 , 依据现行混凝土结构设计规范中的抗弯计算理论, 给出了部分预应力超高强混凝土梁的正截面抗弯承载力计算公式。依据现行规范中的裂缝宽度计算理论, 通过引入预应力筋

3、高度对等效直径的影响系数 k1 和对构件特征系数acr 的修正 , 给出了部分预应力超高强混凝土梁的最大 裂缝宽度计算公式。进行了 20 根部分预应力钢骨超高强混凝土梁静力荷载下的抗弯性能试验。研究了试件的破坏形态、荷载一挠度曲线、跨中截面应变和裂缝开展模式,系统分析了预应力筋张拉控制应力、 非预应力受拉钢筋配筋率、 钢骨偏心率、 钢骨含钢率、 预应力筋高度和预应力筋配筋率等试验因素对试件承载力、 抗弯刚度和弯曲延性的影响规律。依据现行的两种钢骨混凝土结构设计计算理论, 分别给出了基于截面变形协同分析法和叠加法的部分预应力钢骨超高强混凝土梁的正截面抗弯承载力计算公式 , 并对两种计算方法的适用

4、性进行了对比分析。采用分阶段刚度叠加法并考虑了核心约束混凝土的刚度贡献, 提出了部分预应力钢骨超高强混凝土梁各阶段的截面刚度计算公式, 进而采用结构力学计算方法给出了试件的跨中挠度计算公式。引入了预应力筋、钢骨下翼缘和腹板位置对等效直径的影响系数k11、 k2和 k3, 给出了部分预应力钢骨超高强混凝土梁的最大裂缝宽度计算公式。 通过与部分预应力超高强混凝土梁的试验结果对比 , 分析了内置钢骨对试件的承载力、弯曲延性、能量消耗和裂缝开展模式的影响。提出了综合配筋指数的计算公式 , 采用综合配筋指数对18 根部分预应力钢骨超高强混凝土梁和 4 根部分预应力超高强混凝土梁的抗弯受力性能进行分析。采

5、用数理统计的方法, 拟合出了综合配筋指数作为单一变量的部分预应力钢骨超高强混凝土梁的极限承载力、 位移延性系数和正常使用极限状态所受弯矩等级的预测公式。(4)结合试验结果,采用ANSYST限元分析软件对部分预应力钢骨超高强混凝土梁的抗弯性能进行数值仿真分析。 分析阶段为从开始加载到试件达到承载力极限状态,数值分析结果与试验结果基本一致,验证了 ANSYST限元模型的正确性。(5) 进行了 4 根部分预应力钢骨超高强混凝土梁和 1 根部分预应力超高强混凝土梁疲劳荷载下的抗弯性能试验。分析了试验梁的荷载- 挠度曲线变化规律、抗弯刚度的退化规律、 裂缝宽度扩展规律和非预应力受拉钢筋的拉应变随疲劳次数的变化规律。