CN1395012A - 延性预应力混凝土结构构件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种延性预应力混凝土结构构件及其制作方法，该构件包括混凝土和预应力筋，所述的混凝土抗压强度大于60MPa，所述的预应筋为预应钢绞线，其强度≥1860MPa，松弛率≤2.5％，延伸率≥5％，符合上述工艺参数的预应力混凝土结构的弯曲绕度延性比大于3.0，该技术主要利用高性能混凝土与高延伸率钢绞性的结合，获得受弯挠度度系数在3.0以上的预应力混凝土结构构件，使预应力混凝土结构延性好于普通混凝土结构。
Description
技术领域：
本发明涉及一种预应力混凝土结构技术，该技术主要利用高性能混凝土与高延伸率钢绞性的结合，获得受弯挠度度系数在3.0以上的预应力混凝土结构构件，使预应力混凝土结构延性好于普通混凝土结构。本发明还涉及该预应力混凝土结构构件的制作方法。
背景技术：
随着混凝土材料科学研究的深入发展，采用常规的水泥和砂土作原料，使用常规的制作工艺，主要依靠外加高效减水剂或同时外加一定数量的活性矿物材料，使拌和物具有良好的工作度，并在硬化后具有高性能的水泥混凝土，在我国已逐渐发展成为比较成熟的技术。近年来在城市高层建筑中得到了推广应用。
高性能混凝土的重要特点是耐久、强度高、刚度大，能适应现代工程结构向大跨、重载、高耸发展和承受恶劣环境条件的需要。高性能混凝土可以做到具有坍落度大和早强性能，便于浇筑和加快模板周转速度。
高性能混凝土在桥梁结构中应用，可以取得很多收益。尽管提高混凝土强度并不能明显增加钢筋混凝土受弯构件的抗弯能力，但它能降低受弯构件截面的受压混凝土高度，提高构件的延性，允许有较高的配筋率，进而通过提高配筋率来增加构件的抗弯能力；高强混凝土还由于变形小，使构件的刚度得以提高，进而可以降低构件的截面高度。至于预应混凝土构件，则能从高性能混凝土获得三重好处，可以施加更大的预应力，可以更早的施加预应力，因徐变小而预应力损失较低，配置适量受压钢筋的高强混凝土与高效预应力高强混凝土，可兼顾两种材料优点，取得更佳结构效果。
高性能混凝土的不足之处：首先是对各种原材料有严格的要求，高性能混凝土的质量特别容易受到生产、运输、浇筑和养护过程中环境因素的影响。在材料的性能上，高强混凝土的缺点是延性比普通强度混凝土差，素混凝土的延性随着强度增加而降低。但是材料的延性和构件的延性并不是等同的，构件延性可以通过适当的配筋措施和改善预应力钢材的性能得到提高。
发明内容：
本发明的目的是在上述现有预应力混凝土结构的基础上提供一种可提高结构延性的预应力混凝土结构构件，为此本发明还提供一种制作该预应力混凝土结构构件的方法。
本发明的技术方案是：一种新型预应力混凝土结构技术，包括混凝土和预应力筋，所使用的混凝土抗压强度大于60MPa，所使用的预应筋为预应钢绞线，其强度≥1860MPa，松弛率≤2.5％，延伸率≥5％，符合上述工艺参数的预应力混凝土结构的弯曲绕度延性比大于3.0。
新型预应力混凝土结构的方法，其制作步骤如下：
(1)铺设模板
(2)设置钢筋骨架后张法和先张法混凝土
(3)浇筑强度大于60mpa的混凝土
(4)将强度大于1860MPa，松驰率≤2.5％，延伸率≥5％的高均匀延伸率钢绞线就位，张垃
(5)混凝土覆盖麻袋浇水养护，在混凝土立方体强度达到设计要求强度时，张拉采用后张法或先张法，截断预应力钢绞线。
(6)吊准
为了使人们能够更清楚地理解技术方案中的一些技术术语，作以下说明：
预应力钢绞线延伸率：预应力钢绞线拉应力达到屈服应力后的伸长量与对应屈服应力时的延长量之比。
预应力混凝土构件延性：受弯预应力混凝土构件破坏时最大挠度与该构件刚达到极限承载力时的挠度之比，是为该构件受弯挠度延性比，用以度量预应力混凝土构件的延性。
预应力混凝土结构的延性：用该结构设计控制变形的延性比度量。
采用本发明的技术方案后可使预应力混凝土结构的延性增加，产生以下优点：
1、提高工程结构的安全性：
工程结构的破坏形态整体可分为两种：
(1)延性破坏：结构承受荷载达到极限承载力后，在荷载维持不变的前提下，结构经历较大的变形后破坏。
(2)脆性破坏：结构承受荷载达到极限承载力后，结构未呈现明显变形，裂缝等破坏特征，而突然断裂。结构构件与节点的延性是保证结构延性破坏的前提，由上述两种结构破坏形态的定义可知，延性结构在破坏之前有能观察到的变形与裂缝，有一段延性变形的时间，借以警示使用者避免灾难或减少损失，而脆性结构在破坏之前无明显征兆，突然性强，往往给人们造成很大的损失。
2、提高工程结构极限承载力。
实际使用的工程结构多为超静定结构，对延性结构而言，因构件的延性作用控制截面处部件达到极限承载力后，因其延性变形可导致超静定结构内力重新分布，最终增大工程结构的极限承载力。
3、提高工程结构抗震能力。
在地震作用下，延性结构较大的变形能力可增加结构阻尼，避免结构瞬间倒塌，减小地震作用的影响，增大结构抗震能力。
附图说明
图1钢绞线拉力N与实测应变ε关系曲线
图2试验梁的一个典型变形曲线
图3C40混凝土在不同延伸率下的荷载-挠度对比曲线
图4C60混凝土在不同延伸率下的荷载-挠度对比曲线
图5C80混凝土在不同延伸率下的荷载-挠度对比曲线
图6大延伸率钢绞线不同混凝土强度的荷载-挠度曲线
图7小延伸率钢绞线不同混凝土强度的荷载-挠度曲线
图8大延伸率梁跨中截面弯矩与梁顶混凝土压应变关系曲线
图9小延伸率梁跨中截面弯矩与梁顶混凝土压应变关系曲线
具体实施方式：一种新型预应力混凝土结构，包括混凝土和预应力筋，所述的混凝土抗压强度大于60MPa，所述的预应筋为预应钢绞线，其强度≥1860MPa，松弛率≤2.5％，延伸率≥5％，符合上述工艺参数的预应力混凝土结构的弯曲绕度延性比大于3.0。所述新型预应力混凝土结构的制作步骤如下：(1)铺设模板(2)设置钢筋骨架(3)浇筑强度大于60mpa的混凝土(4)将强度大于1860MPa，松驰率≤2.5％，延伸率≥5％的高均匀延伸率钢绞线就位，张拉(5)混凝土覆盖麻袋浇水养护，在混凝土立方体强度达到设计要求强度时，张拉(后张法)或先张法截断预应力钢绞线。(6)吊准
以下通过试验研究混凝土强度等级和钢绞线延伸率对预应力混凝土受弯构件的延性的影响规律。所进行的试验采用混凝土强度等级为C40、C60和C80三种，试验结果，证明了本发明专利的实际改良和应用价值，钢绞线延伸率3.6％和5％二种，进行多种组合，作为试验小梁进行破坏承载试验，根据连续钢构桥的箱梁截面配筋情况，试验梁受拉区仅配置预应力钢绞线，受压区配置构造钢筋(配筋率0.38％)。
6、通过以下试验数据得出以下结论：
(1)采用525#普通硅酸水泥，优选砂石骨料并掺加高效减水剂和磨细优质粉煤灰，可以配制拌和性能良好，坍落度大于160mm的C80高强混凝土。
(2)根据12根受拉区仅配置预应力钢绞线的试验梁结构，混凝土强度等级不同时，因试验梁为适筋配置情况，其抗裂性能和正常使用阶段的裂缝分布形态，变形性能与裂缝宽度发展规律基本相同。
(3)随着混凝土强度的提高，预应力混凝土梁的正截面承载力略有提高，其破坏形态与钢线受拉延伸率的大小有显著的相关性。对于配置延伸率为5％钢绞线的试验梁，其破坏形态为钢绞线达到屈服强度后梁继续变形使受压区混凝土压碎。对于配置延伸率为3.6％钢绞线的试验梁，其破坏形态为钢绞线达到屈服强度后梁继续变形，由于钢绞线材质的不均匀性导致两种破坏形态；当混凝土强度较低时使受压区混凝土压碎，当混凝土强度较高时受压区混凝土可能压碎，也可能使钢绞线因拉伸变形过大而拉断。
(4)当混凝土强度较低时，试验梁的延性与钢绞线的延伸率关系不大，其位移延性系数不能满足一般钢筋混凝土梁位延性系数大于3的要求。随着混凝土强度等级的提高，试验梁的延性随着钢绞线的延伸率增大而增大，配置延伸率为3.6％钢绞线的试验梁，其延伸系数在3.0左右变动，不能完全满足钢筋混凝土受弯构件延性系数大于3.0的一般要求；配置延伸率为5％钢绞线的试验梁，其延性系数均大于3.0，且随着混凝土强度增大而增大，完全满足钢筋混凝土受弯构件延性系数大于3.0的一般要求。1.试验概况
1.1试验梁的设计
本次试验共设计梁试件12根，按照三种混凝土强度和两种不同延伸率的钢绞线进行交叉设计，具体情况见表1。预应力筋及普通钢筋分别采用钢绞线(fpyk＝1860MPa，Es＝195MPa)和II级钢筋(fyk＝335MPa，Es＝200MPa)。试验梁几何尺寸相同，其长度为6.4m，宽度为0.15m，高度为0.45m，有关参数列于表2。
表1 试件设计概况
表2 预应力混凝土梁的设计参数
| 试件编号 | b×h(mm2) | c(mm) | ap(mm) | as(mm) | Ap(mm2) | As(mm2) | As 1(mm2) | 箍筋直径、间距(mm) | δ(％) |
| PB-I-1 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@80 | 5.00 |
| PB-I-2 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@80 | 5.00 |
| PB-II-1 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@80 | 3.61 |
| PB-II-2 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@80 | 3.61 |
| PB-I-3 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@90 | 5.00 |
| PB-I-4 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@90 | 5.00 |
| PB-II-3 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@90 | 3.61 |
| PB-II-4 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@90 | 3.61 |
| PB-I-5 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@110 | 5.00 |
| PB-I-6 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@110 | 5.00 |
| PB-II-5 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@110 | 3.61 |
| PB-II-6 | 150×450 | 42.5 | 50 | 50 | 278(2j 15) | 0 | 226(2 12) | φ6.5@110 | 3.61 |
1.2试验梁的制作
试验梁在华北水利水电学院结构实验大厅内的22m先张法预应力台座上制作张拉一次浇筑三根，基本步骤如下：
1)铺设梁底模板；
2)钢绞线就位、张拉，张拉控制应力按0.7fptk取值，张拉控制力Pcon＝18.1KN，采用XM15夹片式锚具锚固。张拉设备为30KN穿心式张拉千斤顶和高压油泵；
3)绑扎上部非预应力筋及箍筋；
4)侧模就位固定；
5)对钢筋位置和模板位置进行检查，纠正偏差；
6)浇铸混凝土。混凝土采用525#普通硅酸岩水泥、中砂、碎石，具体配合比设计见表3；
7)混凝土覆盖麻袋浇水养护。在混凝土立方体强度达到75％设计强度时，截断预应力钢绞线，然后自然养护到28天，将试验梁架设在简支支座上。
表3 混凝土配合比设计
| 水泥(kg·m-3) | 砂(kg·m-3) | 碎石(kg·m-3) | 粉煤灰 | 水 | FDN-2000减水剂(KN) | ||
| 5～10mm | 10～15mm | ||||||
| C40 | 390 | 640 | 380 | 870 | - | 175 | - |
| C60 | 480 | 582 | 410 | 828 | - | 150 | 4.8 |
| C80 | 522 | 479 | 369 | 862 | 58 | 151 | 8.7 |
1.3试验加载设计
试验构件均采用两点集中对称的同步分级加载方式，采用千斤顶加荷。试验加载原则是按照混凝土静载加载方法进行，即每加一级荷载后，持荷10分钟，当变形较大，加载后变形继续增长时，对本级进行补载，直到稳定后再加下一级荷载。至预应力钢绞线应力达到极限强度或受压区砼被压碎，则视为达到极限强度。
1.4试验梁的仪器布置
为减小预应力损失，在22m先张法预应力台座上制作，每次三根梁。为获得预应力钢绞线从开始张拉到放张阶段的有效预应力实测数据，在每根梁的设计纯弯段内分五个截面在两根钢绞线上埋设了18片标距为1mm的电阻应变片，这样每根钢绞线上分九个截面布置有27片标距为1mm的电阻应变片，同时在其中一根钢绞线锚固端设置一个穿心式压力传感器。设传感器的钢绞线分6级张拉到位并测试每级的张拉伸长值，另一个不设传感器的钢绞线也分6级张拉到位并用钢板尺测试其张拉伸长值。电阻应变片数据由传感器数据由YJ-25电阻应变仪测读。
试验主要目的是量测受力各阶段的挠度、钢绞线应变、受压钢筋应变、混凝土的拉区和压区应变、裂缝宽度等。因此为比较全面地检测梁的挠度变化，架设了七支电阻位移计，架设位置：两支座各一支，跨中一支、两加载点下各一支，加载点与跨中的中间各一支。所有电阻位移计数据由英国Solatron高精度全自动数据采集***采集处理；为量测受压钢筋应变，在钢绞线的各对应截面上埋设标距为1mm的电阻应变片，每个断面5片，即每根梁12片；为量测混凝土拉压区应变，在贴有电阻应变片的钢绞线和受压钢筋对应的梁的侧面混凝土上也分别布置了标距为10mm的电阻应变片，即受压区5片，受拉区5片；为量测各级荷载作用下的裂缝宽度，在梁的跨中处沿梁高布置有标距为250mm的端子9组，且在相邻截面钢绞线和钢筋的对应位置也各布置了2组，用手持式应变计进行测量。1.5钢绞线受力性能测试成果分析
(1)钢绞线受力性能理论分析基础
对以高强钢绞线为预应力筋束的高效预应力混凝土结构受力性能的试验研究中，如何准确地测定钢绞线的受力状态是关键技术之一。但是，钢绞线作为多根钢丝的综合受力体，不同于一般的单根钢筋受力。钢绞线的这种特殊性，使得在其应力、应变量测方面，还没有形成成熟的技术。为此，进行钢绞线应力应变测试技术的研究是十分必要的。
实际上，可以论证钢绞线在承受轴向力时，其每根钢丝沿各自轴向的应变都相等，亦即钢绞线的每根钢丝受力均相等。当测量钢绞线某一点的应变时，将电阻应变片沿外部钢丝轴线方向粘贴，即可得到某一点的应变值。
(2)钢绞线受力状态的测试
在实际情况下，由于钢绞线受力时各根钢筋的相互影响，尽管对其每根钢丝的受力在宏观上表现为均匀性，但针对每根钢丝而言，中心1#钢丝和周围2#～7#钢丝的应力分布规律并不完全相同。为了定量地论证该方面的差异大小，在每根梁的钢绞线上分6个截面粘贴电阻应变片，每个截面粘贴3片，在2#～7#钢丝外部轴线上每各1根分别粘贴1片。图1绘出了梁的钢绞线的拉力与电阻应变片实测应变的关系曲线。可见各应变片测试的应变值与钢绞线承受的拉力之间存在着良好的线性关系。分析试验数据可知，每根钢绞线上的电阻应变片测得的同级拉力作用下的钢绞线应变值的相对误差在10％以内，表明了每根钢绞线的***6根钢丝的受力基本上是均等的。因此，在混凝土结构中的钢绞线，在每个测试截面***的3根钢丝上间隔粘贴3片电阻应变片足以保证测试精度。1.6试验梁施工阶段的测试成果分析
(1)钢绞线的有效预应力
本研究进行了从张拉锚固到放张阶段的钢绞线预应力全过程测试，结果表明，用锚固端传感器和钢绞线上的电阻应变片测的应力是基本一致的。
按规范中
(2)正截面预应力状态
试验实测了钢绞线放张后梁设计纯弯段内5个截面的钢绞线应变、梁上部架立筋的应变和跨中截面的混凝土应变。按实测混凝土受压弹性模量将混凝土应变换算为应力值：σC＝εCEc，按钢绞线与混凝土的弹性模量将钢绞线的应变换算为混凝土的应力值：σc＝εPEpαEP，应变值采用梁跨中截面各应变片测试平均值。可以得出试验与计算结果具有良好的符号性。
(3)试验梁的反拱
试验梁的反拱值通过放张前先在梁的侧面打一条与底板平行的直线，放张后以梁的梁端原始打线处为基准再弹墨线的方法测试。实测各梁的反拱值与计算值的比较列于表5。
表5 梁的反拱实测值与计算值对比表
1.7试验梁承载性能测试成果分析
| 分组 | 组1 | 组2 | 组3 | 组4 | ||||||||
| 钢绞线延伸率 | 5.0％ | 3.61％ | 5.0％ | 3.61％ | ||||||||
| 混凝土强度等级 | C40 | C40 | C60 | C40 | C60 | C60 | C60 | C80 | C80 | C80 | C80 | C40 |
| 反拱实测值(mm) | 9.0 | 8.0 | 7.0 | 10.5 | 7.0 | 7.0 | 7.0 | 5.0 | 4.0 | 5.0 | 6.5 | 9.0 |
| 反拱计算值(mm) | 8.5 | 8.3 | 7.4 | 9.3 | 7.2 | 6.9 | 6.8 | 5.5 | 4.8 | 4.9 | 5.7 | 8.6 |
表6列出了各个试验梁的各级加载值及相应的跨中弯矩计算值、挠度实测值及开裂后跨中区段内的裂缝最大宽度实测值。下面将分项叙述试验现象并进行测试成果分析。各个试验梁侧面的裂缝分布和荷载作用下裂缝高度如图7所示。
表6 荷载及跨中挠度、最大裂缝宽度实测值
| 铟绞线延伸率50％ | |||||||
| 混凝土强度等级C40 (PB-I-1) | 混凝土强度等级C40(PB-I-2) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 20 | 22 | 1.96 | 15 | 22.5 | 2.30 | ||
| 40 | 44 | 4.13 | 30 | 45 | 5.60 | ||
| 60 | 66 | 5.96 | 45 | 67.5 | 7.16 | ||
| 80 | 88 | 7.74 | 开裂 | 50 | 75 | 7.89 | |
| 90 | 99 | 8.77 | 0.17 | 55 | 82.5 | 8.76 | |
| 100 | 110 | 10.05 | 0.28 | 60 | 90 | 9.58 | |
| 120 | 132 | 15.13 | 0.47 | 65 | 97.5 | 10.41 | |
| 135 | 148.5 | 20.82 | 70 | 105 | 113.1 | ||
| 150 | 165 | 25.26 | 75 | 112.5 | 12.37 | 开裂 | |
| 165 | 181.5 | 37.57 | 85 | 127.5 | 16.06 | 0.13 | |
| 175 | 192.5 | 70.57 | 95 | 142.5 | 22.54 | 0.26 | |
| 105 | 157.5 | 30.32 | 0.45 | ||||
| 115 | 172.5 | 40.52 | |||||
| 117.5 | 176.25 | 44.38 | |||||
| 120 | 180 | 48.50 | |||||
| 122.5 | 183.75 | 54.04 | |||||
| 125 | 187.5 | 73.53 | |||||
| 钢绞线延伸率5.0％ | |||||||
| 混凝土强度等级C60(PB-I-3) | 混凝土强度等级C60(PB-I-4) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 15 | 22.5 | 23.5 | 15 | 22.5 | 1.93 | ||
| 30 | 45 | 5.00 | 30 | 45 | 3.81 | ||
| 45 | 67.5 | 6.39 | 45 | 67.5 | 5.55 | ||
| 60 | 90 | 8.51 | 60 | 90 | 7.14 | ||
| 70 | 105 | 10.25 | 70 | 105 | 8.50 | ||
| 75 | 112.5 | 11.14 | 80 | 120 | 11.14 | 开裂 | |
| 80 | 120 | 12.51 | 开裂 | 90 | 135 | 16.50 | 0.25 |
| 90 | 135 | 17.78 | 0.17 | 95 | 142.5 | 19.90 | 0.32 |
| 100 | 150 | 23.96 | 0.32 | 100 | 150 | 22.76 | 0.44 |
| 110 | 165 | 32.51 | 0.57 | 105 | 157.5 | 24.93 | 0.51 |
| 115 | 172.5 | 39.32 | 110 | 165 | 28.91 | ||
| 钢绞线延伸率5.0％ | |||||||
| 混凝土强度等级C60(PB-I-3) | 混凝土强度等级C60(PB-I-4) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 117.5 | 176.25 | 43.82 | 115 | 172.5 | 33.83 | ||
| 120 | 180 | 49.04 | 120 | 180 | 40.88 | ||
| 122.5 | 183.75 | 54.51 | 122.5 | 183.75 | 45.48 | ||
| 125 | 187.5 | 66.74 | 补122.5 | 183.75 | 47.20 | ||
| 补125 | 187.5 | 72.42 | 补122.5 | 183.75 | 48.44 | ||
| 补125 | 187.5 | 75.65 | 补122.5 | 183.75 | 49.58 | ||
| 补125 | 187.5 | 78.28 | 125 | 187.5 | 53.28 | ||
| 补125 | 187.5 | 81.19 | 补125 | 187.5 | 56.46 | ||
| 补125 | 187.5 | 84.63 | 补125 | 187.5 | 59.25 | ||
| 补125 | 187.5 | 88.29 | 补125 | 187.5 | 61.49 | ||
| 补125 | 187.5 | 91.99 | 补125 | 187.5 | 63.32 | ||
| 补125 | 187.5 | 95.93 | 127.5 | 191.25 | 67.30 | ||
| 补125 | 187.5 | 99.40 | 补127.5 | 191.25 | 73.50 | ||
| 127破坏 | 190.5 | 121.89 | 补127.5 | 191.25 | 77.76 | ||
| 补127.5 | 191.25 | 82.94 | |||||
| 补127.5 | 191.25 | 88.24 | |||||
| 补127.5 | 191.25 | 93.07 | |||||
| 130 | 195 | 109.95 | |||||
| 补130 | 195 | 115.73 | |||||
| 补130 | 195 | 119.87 | |||||
| 补破坏 | 195 | 121.34 | |||||
| 钢绞线延伸率5.0％ | |||||||
| 混凝土强度等级C80(PB-I-5) | 混凝土强度等级C80(PB-I-6) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 15 | 22.5 | 2.03 | 15 | 22.5 | 1.94 | ||
| 30 | 45.0 | 3.64 | 30 | 45.0 | 3.57 | ||
| 45 | 67.5 | 5.24 | 45 | 67.5 | 5.20 | ||
| 60 | 90.0 | 6.73 | 60 | 90.0 | 6.78 | ||
| 70 | 105.0 | 7.93 | 70 | 105.0 | 8.24 | 开裂 | |
| 75 | 112.5 | 8.73 | 开裂 | 75 | 112.5 | 9.47 | 0.08 |
| 80 | 120.0 | 10.48 | 0.08 | 80 | 120.0 | 11.47 | 0.15 |
| 85 | 127.5 | 12.50 | 0.15 | 85 | 127.5 | 13.87 | 0.19 |
| 90 | 135.0 | 15.46 | 0.21 | 90 | 135.0 | 16.36 | 0.27 |
| 95 | 142.5 | 18.24 | 0.28 | 95 | 142.5 | 19.42 | 0.42 |
| 100 | 150.0 | 21.43 | 0.42 | 100 | 150.0 | 22.34 | 0.47 |
| 105 | 157.5 | 24.90 | 0.55 | 105 | 157.5 | 26.11 | 0.58 |
| 115 | 172.5 | 33.72 | 115 | 172.5 | 34.85 | ||
| 120 | 180.0 | 39.90 | 120 | 180.0 | 40.35 | ||
| 122.5 | 183.75 | 44.59 | 125 | 187.5 | 48.84 | ||
| 125 | 187.5 | 50.29 | 补125 | 187.5 | 51.95 | ||
| 补125 | 187.5 | 52.60 | 127.5 | 191.25 | 56.85 | ||
| 补125 | 187.5 | 54.27 | 补127.5 | 191.25 | 61.02 | ||
| 钢绞线延伸率5.0％ | |||||||
| 混凝土强度等级C80(PB-I-5) | 混凝土强度等级C80(PB-I-6) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 127.5 | 191.25 | 62.17 | 补127.5 | 191.25 | 63.57 | ||
| 补127.5 | 191.25 | 66.38 | 130 | 195 | 72.66 | ||
| 补127.5 | 191.25 | 69.83 | 补130 | 195 | 78.25 | ||
| 补127.5 | 191.25 | 71.96 | 补130 | 195 | 81.57 | ||
| 130 | 195.00 | 82.91 | 补130 | 195 | 84.60 | ||
| 补130 | 195.00 | 90.70 | 132.5 | 198.75 | 92.14 | ||
| 补130 | 195.00 | 96.00 | 补132.5 | 198.75 | 96.23 | ||
| 补130 | 195.00 | 100.18 | 补132.5 | 198.75 | 100.08 | ||
| 132.5 | 198.75 | 123.25 | 补132.5 | 198.75 | 102.41 | ||
| 补132.5 | 198.75 | 131.02 | 135 | 202.5 | 111.42 | ||
| 补132.5 | 198.75 | 136.17 | 补135 | 202.5 | 117.93 | ||
| 补132.5 | 198.75 | 138.82 | 补135 | 202.5 | 122.37 | ||
| 补132.5 | 198.75 | 141.68 | 补135 | 202.5 | 126.49 | ||
| 136破坏 | 204.00 | 170.24 | 137破坏 | 205.5 | 142.73 | ||
| 钢绞线延伸率3.61％ | |||||||
| 混凝土强度等级C40(PB-II-1) | 混凝土强度等级C40(PB-II-2) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 15 | 22.5 | 2.59 | 15 | 22.5 | 3.52 | ||
| 30 | 45 | 5.17 | 30 | 45 | 6.29 | ||
| 45 | 67.5 | 7.56 | 45 | 67.5 | 8.85 | ||
| 60 | 90 | 9.80 | 60 | 90 | 11.25 | ||
| 70 | 105 | 11.55 | 70 | 105 | 13.25 | ||
| 75 | 112.5 | 12.84 | 开裂0.06 | 75 | 112.5 | 14.48 | 开裂0.04 |
| 85 | 127.5 | 16.64 | 0.14 | 80 | 120 | 16.15 | 0.11 |
| 95 | 142.5 | 22.95 | 0.23 | 85 | 127.5 | 18.25 | 0.14 |
| 105 | 157.5 | 29.68 | 0.42 | 90 | 135 | 20.81 | 0.2 |
| 110 | 165 | 34.33 | 0.45 | 95 | 142.5 | 23.77 | 0.26 |
| 115 | 172.5 | 39.48 | 0.63 | 100 | 150 | 27.11 | 0.33 |
| 117.5 | 176.25 | 42.95 | 105 | 157.5 | 30.78 | 0.37 | |
| 120 | 180 | 47.38 | 110 | 165 | 35.27 | 0.48 | |
| 122.5 | 183.75 | 53.49 | 115 | 172.5 | 40.10 | ||
| 125 | 187.5 | 62.06 | 120 | 180 | 47.06 | ||
| 补125 | 187.5 | 65.05 | 122.5 | 183.75 | 50.98 | ||
| 补125 | 187.5 | 68.71 | |||||
| 补125 | 187.5 | 72.53 | |||||
| 补125 | 187.5 | 76.48 | |||||
| 补125 | 187.5 | 80.28 | |||||
| 补125 | 187.5 | 85.13 | |||||
| 钢绞线延伸率3.61％ | |||||||
| 混凝土强度等级C60(PB-II-3) | 混凝土强度等级C60(PB-II-4) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 15 | 22.5 | 2.23 | 15 | 22.5 | 2.54 | ||
| 30 | 45 | 4.91 | 30 | 45 | 4.90 | ||
| 45 | 67.5 | 7.27 | 45 | 67.5 | 7.04 | ||
| 60 | 90 | 9.97 | 60 | 90 | 9.36 | ||
| 65 | 97.5 | 11.17 | 70 | 105 | 11.53 | ||
| 70 | 105 | 12.59 | 75 | 112.5 | 12.87 | 开裂 | |
| 75 | 112.5 | 14.38 | 开裂0.09 | 80 | 120 | 15.63 | 0.15 |
| 85 | 127.5 | 20.81 | 0.25 | 90 | 135 | 22.31 | 0.32 |
| 95 | 142.5 | 28.02 | 0.54 | 100 | 150 | 30.44 | 0.54 |
| 100 | 150 | 32.40 | 0.61 | 110 | 165 | 41.01 | |
| 105 | 157.5 | 36.84 | 115 | 172.5 | 46.60 | ||
| 110 | 165 | 41.70 | 117.5 | 176.25 | 50.40 | ||
| 112.5 | 168.75 | 43.85 | 120 | 180 | 53.98 | ||
| 115 | 172.5 | 47.05 | 122.5 | 183.75 | 59.92 | ||
| 117.5 | 176.25 | 50.78 | 125 | 187.5 | 77.12 | ||
| 120 | 180 | 55.92 | 127.5 | 191.25 | 102.98 | ||
| 124破坏 | 186 | 64.89 | 补127.5 | 191.25 | 109.28 | ||
| 补127.5 | 191.25 | 116.99 | |||||
| 钢绞线延伸率3.61％ | |||||||
| 混凝土强度等级C80(PB-II-5) | 混凝土强度等级C80(PB-II-6) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 15 | 22.5 | 2.06 | 15 | 22.5 | 1.72 | ||
| 30 | 45 | 3.76 | 30 | 45 | 3.23 | ||
| 45 | 67.5 | 5.36 | 45 | 67.5 | 4.75 | ||
| 60 | 90 | 6.99 | 60 | 90 | 6.15 | ||
| 70 | 105 | 8.19 | 70 | 105 | 7.14 | ||
| 75 | 112.5 | 9.35 | 开裂0.06 | 75 | 112.5 | 7.72 | |
| 80 | 120 | 10.97 | 0.11 | 80 | 120 | 9.25 | 开裂0.08 |
| 85 | 127.5 | 12.89 | 0.22 | 85 | 127.5 | 11.07 | 0.14 |
| 90 | 135 | 15.21 | 0.24 | 90 | 135 | 13.07 | 0.19 |
| 95 | 142.5 | 18.29 | 0.37 | 95 | 142.5 | 16.75 | 0.27 |
| 100 | 150 | 21.14 | 0.42 | 100 | 150 | 19.81 | 0.44 |
| 105 | 157.5 | 24.53 | 0.57 | 105 | 157.5 | 23.18 | 0.60 |
| 115 | 172.5 | 32.58 | 115 | 172.5 | 30.59 | ||
| 120 | 180 | 37.35 | 120 | 180 | 35.89 | ||
| 125 | 187.5 | 43.17 | 122.5 | 183.75 | 38.85 | ||
| 127.5 | 191.25 | 47.42 | 125 | 187.5 | 42.23 | ||
| 130 | 195 | 52.22 | 127.5 | 191.25 | 45.88 | ||
| 补130 | 195 | 55.20 | 130 | 195 | 51.85 | ||
| 补130 | 195 | 57.10 | 补130 | 195 | 54.64 | ||
| 钢绞线延伸率3.61％ | |||||||
| 混凝土强度等级C80(PB-II-5) | 混凝土强度等级C80(PB-II-6) | ||||||
| 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) | 荷载P(KN) | 跨中弯矩(KN·m) | 跨中挠度(mm) | 最大裂缝宽度(mm) |
| 132.5 | 198.75 | 63.25 | 补130 | 195 | 56.78 | ||
| 补132.5 | 198.75 | 66.22 | 132.5 | 198.75 | 61.87 | ||
| 补132.5 | 198.75 | 68.45 | 补132.5 | 198.75 | 65.09 | ||
| 135 | 202.5 | 73.53 | 补132.5 | 198.75 | 67.17 | ||
| 补135 | 202.5 | 78.01 | 补132.5 | 198.75 | 69.17 | ||
| 补135 | 202.5 | 82.21 | 135 | 202.5 | 73.43 | ||
| 补135 | 202.5 | 85.13 | 补135 | 202.5 | 76.79 | ||
| 137破坏 | 205.5 | 90.63 | 补135 | 202.5 | 79.32 | ||
| 补135 | 202.5 | 80.88 | |||||
| 137.5 | 206.25 | 88.93 | |||||
| 补137.5 | 206.25 | 96.56 | |||||
| 补137.5 | 206.25 | 101.00 | |||||
| 138.9破坏 | 208.35 | 112.50 | |||||
2.预应力混凝土梁的延性
2.延性研究的意义
高强混凝土结构延性研究是塑性设计方法和抗震设计理论发展的基础，其意义在于：
1)混凝土是一种脆性材料，它拉弯破坏、剪切破坏突然，受压韧性也较低，特别是随强度提高韧性更差。如何提高混凝土强度和韧性是当代土木工程中的一个重要课题。近年来发展的钢管混凝土、密筋约束混凝土、纤维混凝土、树脂改性混凝土等新技术有效地提高了混凝土材料的韧性，使混凝土能够适用于延性较高的结构。可以说混凝土材料延性的研究是发展高性能混凝土的基础。
2)结构延性研究是制定结构设计可靠指标和构造措施的依据。对于发生脆性破坏的结构，由于破坏预兆不明显，破坏造成的危害性严重，故在设计中规定采用较高的可靠指标。
我国《建筑结构设计统一标准》第2.0.8条规定，对于脆性破坏的构件，设计可靠指标β应比延性破坏构件高12％～16％。同时，在结构设计中，为了保证构件不发生脆性破坏，常要求满足某些构造规定。《美国公路桥梁设计规范—荷载与抗力系数设计法》1.3.2条规定各种极限状态都应满足：η∑YiQi≤Rn其中：∑YiQi为荷载效应，η为效应系数，η＝ηDηRηI，ηD为延性系数，对强度极限状态；ηD＝1.05，用于非延性构件和连接，ηD＝0.95，用于延性构件和连接，
表示因结构延性可导致结构安全贮备增加。
3)目前，结构抗震设计的基本原则是：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。要求结构在罕遇地震作用下不仅要有足够的抗力，还要具备足够的弹塑性变形能力，即具有足够的延性，以真正达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目的。但是规范并未提出高强混凝土或部分预应力高强混凝土结构或构件的延性计算方法，目前国内外已有的普通混凝土结构或构件的延性计算方法对高强混凝土及高强预应力混凝土结构能否实用，也缺乏试验验证。可以说，从高强混凝土结构的抗震设计基本原则，到结构抗震承载力和变形验算以及抗震构造措施的制定，都离不开对结构延性的深入研究。
此外，结构的延性也是建筑物遇到意外超载、碰撞、***和基础沉降等引起超过设计预计的内力和变形时而不突然倒塌的保证。
影响预应力构件延性的主要因素
所谓延性是指材料、构件和结构在荷载作用或其它间接作用下，进入非线性状态后在承载能力没有显著降低情况下承受变形的能力。影响结构延性的因素很多，因为结构由不同的构件组成，而构件延性又取决于临界截面的延性，因此，影响结构延性的因素既包含了影响截面、构件延性的因素(如材料性能、几何特征、荷载形式、加载历史、支座条件、临界截面相对位置等)，也含有其特殊性：如构件相对刚度、构件相对极限抗弯承载力及塑性铰数量等。归纳起来描写延性常用的变量有：材料的韧性，截面的曲率延性系数，构件或结构的位移延性系数，塑性铰转动能力，滞回曲线，耗能能力等。
对于预应力混凝土构件，众所周知，影响其延性的主要因素有截面类型、非预应力受拉和受压钢筋的配筋指数、混凝土抗压强度、预应力筋的抗拉强度以及构件中混凝土的约束程度等，但在钢绞线延伸率对构件延性的影响上还没有人进行过研究。本次试验即对不同钢绞线延伸率对梁延性的延性进行了试验研究。研究表明，大的延伸率可有效提高梁的延性。
1.8试验梁的延性分析
图2为各级荷载作用下，试验梁的一个典型的变形曲线；图3、图4、图5为相同混凝土设计而不同钢绞线延伸率的跨中弯矩与挠度典型对比曲线；图6、图7为相同钢绞线延伸率而不同混凝土设计强度的跨中弯矩与挠度典型对比曲线。由图可见，试验梁的变形随荷载的增加表现出明显的三个阶段：第一阶段为弹性阶段，试验梁的变形随荷载的增加呈线性增大，梁的抗弯刚度不变。第二阶段为弹塑性阶段，试验梁的变形随荷载的增加呈非线性增大，梁的抗弯刚度因裂缝的产生和发展而逐渐降低，第一阶段和第二阶段之间有明显的转折点，是为梁正截面的开裂点。第三阶段为塑性阶段，试验梁承受的荷载基本不变而变形增加，不同混凝土设计强度和不同钢绞线延伸率的试验梁的第三阶段不同，第二阶段和第三阶段之间也有明显的转折点，为梁正截面的极限承载点。
按照延性系数的定义，首先确定试验梁的极限变形和屈服变形。极限变形由加载到最
后一级荷载时的变形减去梁的反拱值可以得到，对于梁的屈服变形，采用钢绞线极限抗拉强度的80％对应的跨中挠度。表7列出了试验梁的延性系数。
表7
| 编号 | 屈服挠度(mm) | 极限挠度(mm) | 延性系数 | 备注 |
| PB-I-1 | 22.3 | 70.57 | 3.16 | |
| PB-I-2 | 26.43 | 73.53 | 2.78 | |
| PB-I-3 | 25.33 | 121.89 | 4.81 | |
| PB-I-4 | 24.50 | 117.55 | 4.80 | |
| PB-I-5 | 36.07 | 170.24 | 4.73 | |
| PB-I-6 | 30.13 | 142.73 | 4.74 | |
| PB-II-1 | 26.31 | 85.13 | 3.24 | |
| PB-II-2 | 25.77 | 50.98 | 1.98 | |
| PB-II-3 | 31.89 | 64.89 | 2.03 | |
| PB-II-4 | 32.55 | 116.99 | 3.59 | |
| PB-II-5 | 28.23 | 90.63 | 3.21 | |
| PB-II-6 | 27.71 | 112.5 | 4.06 |
从表中可以看出，当混凝土强度较低时，钢绞线延伸率的大小对梁的延性的影响较小，在对C40混凝土梁，其延性系数小于3.0，表现出较差的延性性能，对C60和C80混凝土梁，钢绞线延伸率较大时，其延性系数均大于3.0的一般要求：而对于C60和C80混凝土梁，当钢绞线延伸率较小时，其延性系数在3.0左右变动，不能完全满足钢筋混凝土受弯构件延性系数大于3.0的一般要求。试验梁破坏形态
本次试验所作的12根试验梁中，有6根是采用大延伸率钢绞线，6根是采用小延伸率钢绞线。采用大延伸率钢绞线的梁，三个混凝土等级的梁的破坏形态均为延性破坏，上部混凝土被压碎，表8列出了各试验梁的极限弯矩及破坏形态。采用小延伸率钢绞线梁基本上是钢绞线先断裂，然后上部混凝土被压碎。
表8
| 编号 | 实测fcu | 设计fcu | 实测Mu°(KN.m) | 设计Mu°(KN.m) | 实测vmax(cm) | 破坏形态 |
| PB-I-1 | 46.8 | C40 | 192.5 | 203.26 | 9.8 | 上部混凝土压碎 |
| PB-I-2 | 44.3 | C40 | 187.5 | 203.26 | 8.6 | 上部混凝土压碎 |
| PB-I-3 | 70.2 | C60 | 190.5 | 214.83 | 12 | 上部混凝土压碎 |
| PB-I-4 | 59 | C60 | 195 | 214.83 | 12.85 | 上部混凝土压碎 |
| PB-I-5 | 90 | C80 | 204 | 219.63 | 17.2 | 上部混凝土压碎 |
| PB-I-6 | 86.7 | C80 | 205.5 | 219.63 | 15.3 | 上部混凝土压碎 |
| PB-II-1 | 46.2 | C40 | 187.5 | 203.26 | 7.18 | 钢绞线断，接着混凝土被压碎 |
| PB-II-2 | 38.1 | C40 | 183.75 | 203.26 | 4.2 | 钢绞线断，接着混凝土被压碎 |
| PB-II-3 | 58.6 | C60 | 186 | 214.83 | 7.7 | 钢绞线断，接着混凝土被压碎 |
| PB-II-4 | 58.4 | C60 | 191.25 | 214.83 | 12.4 | 钢绞线没断，上部混凝土被压碎 |
| PB-II-5 | 70.3 | C80 | 205.5 | 219.63 | 9.2 | 钢绞线断，接着混凝土被压碎 |
| PB-II-6 | 73.7 | C80 | 208.35 | 219.63 | 12.1 | 钢绞线没断，上部混凝土被压碎 |
图8为一个典型的大延伸率混凝土截面弯矩与梁顶纯弯段混凝土压应变的关系曲线。图9为一个典型的小延伸率混凝土截面弯矩与梁顶纯弯段混凝土压应变的关系曲线。
从图中可以看出，当正截面混凝土开裂后，梁顶混凝土应变明显增加了，在图中表现出明显的应变增长转折点。对采用大延伸率钢绞线的梁而言，随着荷载的增加，受压钢筋达到受压屈服状态，并起到调节受压区混凝土应力状态的作用，受压区混凝土的受压变形能力能够得到较好的发挥，从而构成了梁梁具有优良延性的重要基础。对采用小延伸率钢绞线的梁而言，受拉钢筋屈服后，混凝土达不到极限压应变时，由于钢绞线的断裂而破坏，使得梁的延性小。6、通过以下试验数据得出以下结论：(1)采用525#普通硅酸水泥，优选砂石骨料并掺加高效减水剂和磨细优质粉煤灰，可以配制拌和性能良好，坍落度大于160mm的C80高强混凝土。(2)根据12根受拉区仅配置预应力钢绞线的试验梁结构，混凝土强度等级不同时，因试验梁为适筋配置情况，其抗裂性能和正常使用阶段的裂缝分布形态，变形性能与裂缝宽度发展规律基本相同。(3)随着混凝土强度的提高，预应力混凝土梁的正截面承载力略有提高，其破坏形态与钢线受拉延伸率的大小有显著的相关性。对于配置延伸率为5％钢绞线的试验梁，其破坏形态为钢绞线达到屈服强度后梁继续变形使受压区混凝土压碎。对于配置延伸率为3.6％钢绞线的试验梁，其破坏形态为钢绞线达到屈服强度后梁继续变形，由于钢绞线材质的不均匀性导致两种破坏形态；当混凝土强度较低时使受压区混凝土压碎，当混凝土强度较高时受压区混凝土可能压碎，也可能使钢绞线因拉伸变形过大而拉断。(4)当混凝土强度较低时，试验梁的延性与钢绞线的延伸率关系不大，其位移延性系数不能满足一般钢筋混凝土梁位延性系数大于3的要求。随着混凝土强度等级的提高，试验梁的延性随着钢绞线的延伸率增大而增大，配置延伸率为3.6％钢绞线的试验梁，其延伸系数在3.0左右变动，不能完全满足钢筋混凝土受弯构件延性系数大于3.0的一般要求；配置延伸率为5％钢绞线的试验梁，其延性系数均大于3.0，且随着混凝土强度增大而增大，完全满足钢筋混凝土受弯构件延性系数大于3.0的一般要求。
Claims (2)
1、一种延性预应力混凝土结构构件，包括混凝土和预应力筋，其特征是，所述的混凝土抗压强度大于60MPa，所述的预应筋为预应钢绞线，其强度≥1860MPa，松弛率≤2.5％，延伸率≥5％，符合上述工艺参数的预应力混凝土结构的弯曲绕度延性比大于3.0。
2、制作权利要求1所述延性预应力混凝土结构构件的方法，其制作步骤如下：
(1)铺设模板
(2)设置钢筋骨架
(3)浇筑强度大于60mpa的混凝土
(4)将强度大于1860MPa，松驰率≤2.5％，延伸率≥5％的高均匀延伸率钢绞线就位，张拉
(5)混凝土覆盖麻袋浇水养护，在混凝土立方体强度达到设计要求强度时，张拉可采用后张法或先张法，截断预应力钢绞线。
(6)吊准
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