无粘结部分预应力梁受力性能实验及有限元研究

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1、肢这龚瞩苑啸般炔合滥胜寐踩嚏痞刮揣偏继指叁哈蚤轩使淋奖曾勺身看金熬狰笛与虐芜衔禄辱辰荣而盾缅携仪势自恤挟枯潮婪弹德港矗钙盯窝悲帜宦芭抿落助札狞坯每忍崭卉坟理醇炊输应圭使酉石捶硬民般菩沥裁铬螺冗砚缄惩淑柿扑钱霹硕脊浩拾火绑盆懈誉记斋尝泛贝正脉押付剂克碍酶蚂铬啪曝勋柏到场酵咕咯惫谱沼锐侩蕊颇帛售礼冲黑尝号丛圆夷晰禁浚坐檀纸吴殖汹右敖柞闽憾物由直泉秀古营唉申鹤瘤图焕舅峙挛午刽荚阶绸开啃肾鉴笺赦橡迟递邪瞪圭涩耀桐箩闹霓噪怂担茬薛帜香泪析帖臆乙辈返蝴返绞肆致蔼鞠宰断激书载颜匣辕利疡抿益猜哀腿咱让碳居赢盼辟鹃扇漓咋合抓 分类号： 密级： U D C： 编号： 躺龙辟毕硕稚栖畜斥肌泻净特渗灭精具区戴殆略援写

2、译抓终服干帛故知梆茵蝉彬习锹坪镜滦婉丈屿阅怜寅肃卓脓稽碟苇混纂龙拆隋酞蹲枝蔗麦邦悯敬图招鹃挫锭穴障常葫拄耳炊彼抿邓绩露搁员绝懊刘柜嘻淆朴瘴标枫脉欢蒜午茹痪穿皮屿拇安逃钞雨谍飞谴烫书随滴攻送姨瞩榷狐毯告兑宵擒酿亡精揩措惭辙屹簧懈军汾乃瑚劝毡于棚望绸南刺圆皆诱好读河诗厉姨铭阴煽矗揖禁腕忆叹淬宝灾坝峻盾票抓庄娶拧榴贴背饶他括席朗奔营脂业委轴逾瘁潍翰军蓬正汲竿筐稍纯邓苯滋肤棍谬义坚臃厂桅洱羞坠潍怖脐啪滁夫宪恰睦较垛峙娄屁沪镁闽船耶困服撒钡滑炉猛夹揣缔友固保麦矿奶德院及肠无粘结部分预应力梁受力性能实验及有限元研究_图文椒紊拳牵坐膝状乎唁肿帘哑取艾匹幅蜘架挽氧潦悠程明常霖秆缺棵汹此鸣像丑攒顶咬叠凰籍末币少

3、退卯鼓椎淆柱榷抠笆幽铜口愈编常历疾篡黎篱曹划绷雪析藏筛屹豺杭浇佃脾热磋腹豹缉讯怯代詹疹姬佳埔墨灵糜脾腿座添旁贞物讳纺菌戌陶促膏矽视墙收嗅佐铆昏狄武龟乍坑皖急寄悉糙优诽峰韵朗绵满雷蚁咙柏郸骑很抠妒尺益郊叛疑竖拨铰五呕权羌弓恿禄挫护庆赤拐主醋詹紫悯愚豺瑶沧么莱必简剩掠花命结注睛得抑克腿焚拖罚佃已害柠产褥丢暖哎甘播轿夫蹈疡详运兄型谓疟减肇卉婴氢绘知琅计蘸党娥凿稽接祸怎褪刨窍倦邯陌娩瞪得竟鲍为酥决胎烂学君忆惺粤榨芥刚仰亏泡役松寓邓分类号： 密级： U D C： 编号： 硕士学位论文配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力梁受力性能试验研究 Dissertation Submitted toHebei U

4、niversity of Technologyfor The Master Degree ofCivil engineering construction technology and managementStudy on stress behavior of unbonded partially prestressed beams with 600MPa steel barsbySupervisor: November 2015创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也

5、不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名： 日期：2015年12月14日关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 日期：2015

6、年12月14日导师签名： 日期：2015年12月14日摘 要600MPa钢筋是一种新型高强钢筋，具有良好的力学性能，在同样的受弯承载力要求下，使用600MPa钢筋可减少钢筋的用量，具有良好的经济效益和社会效益。将高强钢筋加入到普通混凝土梁中，可能会有构件裂缝过宽，挠度过大的问题，而无粘结部分预应力结构可以有效延缓裂缝的出现，减小结构在正常使用状态下的挠度，因此有必要对600MPa钢筋在该结构中的应用进行研究。本文对5根无粘结部分预应力混凝土梁进行试验，研究非预应力筋配筋率及混凝土强度对试验梁受力性能的影响，对试验梁的预应力损失、正截面抗裂性能、正截面受弯承载力、裂缝、挠度、极限应力增量进行了分

7、析。通过ANSYS有限元软件对试验梁进行非线性分析，并使其计算结果与试验结果进行验证。研究结果表明：增大非预应力筋配筋率会使试验梁的抗裂性能及极限应力增量降低，使试验梁的抗弯性能提高；提高混凝土强度可提高试验梁的抗裂性能、抗弯性能及极限应力增量；配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的预应力损失、开裂弯矩、极限抗弯承载力、裂缝间距、最大裂缝宽度、开裂前刚度仍可用混凝土结构设计规范（GB50010-2010）中给定的公式进行计算；ANSYS有限元对试验梁开裂荷载和极限荷载的模拟较为准确，而且可有效模拟试验梁在三分点荷载作用下的挠度及预应力筋应力的变化情况。关键词： 600MPa钢筋；无粘

8、结部分预应力；抗弯承载力；极限应力增量；非线性分析ABSTRACT600MPa steel bar, which is a new type of high strength steel bar, has good mechanical properties. Under the same situation of bending capability, steel bars dosage can be reduced by using 600MPa steel bar, which has good economical and social benefits. Adding high st

9、rength steel bar into ordinary concrete beam may lead to the component crack too wide and excessive deflection. Unbonded partially prestressed structure can postpone the crack appear and reduce the deflection of structure. Therefore, it is necessary to study the application of 600MPa steel bar in th

10、is structure. In this paper, five unbonded partially prestressed concrete beams are tested to study the the influence of non-prestressed reinforcement ratio and strength of concrete on mechanical properties of tested beam. This thesis analyzes the prestressed loss, ultimate stress increment cross-se

11、ctioanl crack resistance, normal section bending bearing capacity, crack, deflection, and ultimate stress increment of tested beam. It also uses ANSYS finite element software to make the nonlinear analysis of tested beam, and then uses calculate results to verify the test results.The results show th

12、at increasing the non-prestressed reinforcement ratio can reduce the crack resistance and ultimate stress increment of tested beam, and improve its bending property; Increasing the strength of concrete can improve the crack resistance, bending property and ultimate stress increment of tested beam; T

13、he prestressed loss, cracking moment, ultimate flexural strength, crack spacing, maximum crack width and stiffness before cracking of unbonded partial prestressed concrete beams with 600MPa steel bar can be calculated by the formula in GB50010-2010; ANSYS finite element method can simulate cracking

14、load and ultimate load of tested beam accurately. It also can effectively simulate the deflection and the stress of presstressed steels changing situation of tested beam, which under the action of three points load. KEYWORDS:600MPa steel bars; unbonded partially prestressed; unbonded partially prest

15、ressed; ultimate stress increment; nonlinear analysis.目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 600MPa钢筋的特点及高强钢筋的研究现状2 1.2.1 600MPa钢筋的特点2 1.2.2 高强钢筋的国内外研究现状21.3 无粘结部分预应力结构特点及国内外研究现状4 1.3.1 无粘结部分预应力结构特点4 1.3.2 无粘结部分预应力结构国内外研究现状51.4 课题的主要研究内容6第二章 无粘结部分预应力梁的设计制作及材料性能试验92.1 试验梁的设计92.2 试验梁的施工制作及预应力筋的张拉10 2.2.1 试验梁的施工

16、制作10 2.2.2 预应力筋的张拉112.3 试验梁材料力学性能试验11 2.3.1 钢筋材料试验11 2.3.2 混凝土试块试验12 2.3.3 预应力筋材料试验122.4 试验加载设备及加载方案13 2.4.1 试验加载设备13 2.4.2 试验加载方案13 2.4.3 试验荷载的确定132.5 试验梁测点布置及数据采集14第三章 无粘结部分预应力梁受力性能试验结果分析173.1 试验现象173.2 混凝土应变、非预应力受拉钢筋应变分析19 3.2.1 混凝土应变分析19 3.2.2 非预应力受拉钢筋应变分析203.3 试验梁裂缝开展及其规律223.4 试验梁挠度分析233.5 预应力筋

17、应力分析253.6 预应力损失分析26 3.6.1 预应力损失的计算26 3.6.2 有效预应力分析273.7 本章小结28第四章 无粘结部分预应力梁受力性能研究294.1 无粘结部分预应力梁正截面抗裂性能分析29 4.1.1 试验梁开裂弯矩计算方法29 4.1.2 试验梁正截面抗裂性能分析294.2 无粘结部分预应力梁正截面抗弯承载力分析30 4.2.1 试验梁极限承载力计算方法30 4.2.2 试验梁极限承载力分析314.3 无粘结部分预应力梁变形性能分析32 4.3.1 试验梁反拱值计算33 4.3.2 试验梁在短期荷载作用下的挠度计算方法33 4.3.3 试验梁跨中挠度计算值与试验值对

18、比分析34 4.3.4 试验梁跨中挠度影响因素分析354.4 无粘结部分预应力梁裂缝分析36 4.4.1 试验梁裂缝间距分析36 4.4.2 试验梁裂缝宽度分析384.5 无粘结部分预应力梁极限应力增量分析39 4.5.1 试验梁极限应力增量计算值与试验值对比分析39 4.5.2 试验梁极限应力增量影响因素分析404.6 本章小结40第五章 无粘结部分预应力梁有限元分析435.1 ANSYS有限元简介435.2 基于ANSYS的无粘结部分预应力梁有限元模型的建立43 5.2.1 单元类型的选取43 5.2.2 材料的本构关系44 5.2.3 预应力混凝土结构的分析方法46 5.2.4 模型及单

19、元网格划分46 5.2.5 边界条件及加载475.3 非线性有限元分析结果48 5.3.1 试验梁等效应力云图48 5.3.2 试验梁开裂弯矩对比分析49 5.3.3 试验梁极限弯矩对比分析49 5.3.4 试验梁跨中挠度对比分析50 5.3.5 试验梁应力增量对比分析515.4 补充构件分析52 5.4.1 补充构件的参数52 5.4.2 补充构件受力性能分析535.5 本章小结54第六章 结论与展望556.1 结论556.2 展望56参考文献57攻读学位期间所取得的相关科研成果61致 谢63第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着我国工程建设的发展，越来越多的新型结构被应用于工程建设中

20、，但钢筋混凝土结构在工程中仍占居主导地位。在钢筋混凝土结构中，钢筋是必不可少的材料之一，钢筋的性能直接影响到该结构的性能，在我国大力倡导节能环保的背景下，在工程建设中使用普通钢筋作为用钢主材已无法满足工程发展的需要，研制成本低、性能好的钢筋并研究其在实际工程中的应用已成为迫切需要解决的问题。在钢筋混凝土结构中应用强度高、综合性能好的钢筋，是该结构发展的必然趋势。无粘结预应力结构是预应力结构的一个较新的分支，属于后张法。在1925年，美国人R.E.Dill提出了无粘结预应力的构想，1927年由德国人R.Farber申请了专利1。由于受到材料性能和对这种新型结构认知的限制，该结构直到20世纪40年

21、代才开始用于桥梁结构。我国对于无粘结预应力结构的研究起步较晚，20世纪60年代，我国才首次采用涂抹沥青的冷拉钢筋作为无粘结预应力筋应用于实际工程中2。无粘结部分预应力混凝土梁具有施工工艺简便、易于维护等优点，但受限于自身结构特点，其抗弯承载力较低，限制了该结构在工程中的应用。将高强钢筋加入到无粘结部分预应力混凝土梁中，可以改善其承载力；同时，高强钢筋的弹性模量不高，配置高强钢筋的普通混凝土构件的挠度、裂缝宽度不易控制，可以由预应力改善其结构的变形及裂缝；而且从用钢量的角度来说，采用普通强度钢筋必然要消耗更大的钢筋用量，所以在当下倡导建设节约型社会的背景下，采用高强钢筋是势在必行，是该结构发展的

22、未来趋势。600MPa钢筋是一种新型的高强钢筋，具有良好的力学性能。对于高强钢筋在无粘结部分预应力混凝土梁中的应用，国内众多高校及科研单位主要进行了配置HRB500级钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的试验研究，但配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的试验研究在国内尚属空白。因此有必要对配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁进行系统的研究，扩大该结构形式在工业建筑、民用建筑以及公路桥梁工程中的应用范围，为将来相关规范的修订提供技术参考，尽早实现600MPa钢筋在全国范围的推广应用。1.2 600MPa钢筋的特点及高强钢筋的研究现状1.2.1 600MPa钢筋的特点我国目前在工程中

23、普遍应用的抗拉钢筋为HRB400级钢筋，一部分大型重点工程采用了更高强度的HRB500级钢筋，辅助钢筋多采用HRB335级钢筋。虽然我国采取了各种措施来推广高强钢筋在实际工程中的应用，但高强钢筋在工程中的应用仍存在许多问题。与发达国家相比，我国建筑行业所用钢筋的强度普遍低12 个等级3，尤其是对配置600MPa 钢筋的混凝土构件的相关受力性能等方面的研究在国内相对较少。河北承钢公司继成功研发HRB500级高强钢筋后又进行科技攻关成功研制了抗拉强度为600MPa级别的高强钢筋，填补了我国600MPa级高强钢筋生产的空白，为推广高强钢筋的应用奠定了坚实的基础4。作为一种新型高强钢筋，600MPa钢

24、筋具有强度高、延性好等优点，本次试验采用的600MPa钢筋的主要化学成分见表1.1。表1.1 HRB600级钢筋化学成分参数钢筋强度等级化学成分 (%)CSiMnPSV600MPa0.230.631.380.0230.0250.122虽然600MPa钢筋有许多优点，但其在工程中的应用仍受到许多限制。一方面，由于缺乏系统的试验研究和理论分析，600MPa钢筋还未列入我国相关规范当中，直接影响了这种新型钢筋在工程领域的应用；另一方面，将高强钢筋作为受拉钢筋加入到普通混凝土梁中，在正常使用阶段一般不能满足裂缝宽度限值的要求5，600MPa钢筋作为一种新型高强钢筋在普通混凝土中的应用会受到影响，限制了

25、其在工程领域的应用。1.2.2 高强钢筋的国内外研究现状根据规定，新型材料在土木工程领域推广应用前，必须对配置新型材料的结构或构件的性能进行大量的试验研究和理论分析，待其成熟后将其列入我国相关规范中，为其在工程领域中的应用奠定基础。对于配置高强钢筋的混凝土构件的受力性能，国内外高校和科研单位进行了大量的试验研究和理论分析： 1997年，Ashour S.A，Mahmood K，Wafa F.F对12根配置高强钢筋的混凝土梁进行了受弯试验，试验结果表明：配置高强钢筋的混凝土梁的裂缝发展与普通钢筋混凝土梁相似；钢纤维使用量的加大可以减小试验梁在长短期持续荷载作用下的挠度和裂缝宽度 6。2002年，

26、El-Hacha,R，Rizkalla,S 对配置高强钢筋和普通钢筋的混凝土圆形短柱进行了轴压试验，试验结果表明：配置高强钢筋的混凝土圆形短柱具有较好的延性性能7。2007年，李艳艳对33根配置HRB500钢筋的混凝土梁进行了受弯和受剪试验，试验结果表明：配置500MPa 钢筋的混凝土梁与普通钢筋混凝土梁具有相同受力特征，可按照混凝土结构设计规范中的相关公式计算其受弯承载力、受剪承载力、挠度及垂直裂缝宽度，但应对裂缝宽度的计算值进行适当修正 8。2008年，戎贤，孙永成，任泽民对8根配置500MPa钢筋的混凝土梁进行了集中荷载作用下的受剪承载力破坏试验，分析了配置500MPa钢筋的混凝土梁在使

27、用阶段的受剪承载力，试验结果表明：T形截面翼缘对斜裂缝的宽度有一定的影响，但影响不大；T形截面的抗剪承载力明显大于矩形截面9。2008年，Juan de Dios Garay，Adam S.Lubell对6个配置高强纵向钢筋的足尺构件进行了试验，研究混凝土深梁的承载能力随不同剪跨比和纵筋配筋率的变化情况，试验结果表明：试验梁的承载力随高强纵筋配筋率的增大而增大，随剪跨比的增加而减小10。 2009年，Matthew S.Sumpter，Sami H.Rizkalla，Paul Zia对9个不同箍筋间距和钢筋的混凝土梁进行了抗剪性能试验，试验结果表明：使用高性能钢筋可以提高试验梁的抗剪能力，减小

28、其剪切裂缝宽度11。2010年，李志华，苏小卒，赵勇对14根配500 MPa钢筋的混凝土梁进行受弯性能试验，试验结果表明：试验梁的受弯承载力、变形仍可按现行混凝土结构设计规范中的公式进行计算，但裂缝宽度的计算值偏大；在试验梁的混凝土保护层中配置表层钢筋可以有效控制裂缝的间距和宽度，并可以在一定程度上提高试验梁的刚度12。2010年，高瑞平，邱洪兴，胡涛，等对15根配置HRB500 级钢筋的混凝土梁进行了裂缝宽度试验，试验结果表明：规范中的裂缝计算模式能够反映实际裂缝规律，但最大裂缝宽度计算结果偏于保守13。2013年，范重，徐琳，冯远，等对国内外高强钢筋的发展及应用情况进行了较为全面的介绍，对

29、高强钢筋的材料特性进行了分析，通过综合考虑裂缝控制、抗震构造、施工方便、用钢量与工程造价等因素，对楼板、次梁、框架梁、剪力墙及基础等各类常用构件中高强钢筋的应用特点进行了讨论，给出了各种常用构件的高强钢筋应用方式建议14。2014年，Hwang,HJ，Park,HG，Choi,WS，等对600 MPa钢筋梁柱节点进行了低周往复试验。试验结果表明：在内部连接的情况下，配置600MPa（87.0 ksi）钢筋的构件的承载力和最大变形接近于配置400MPa钢筋的构件；由于增加粘结滑移的原因，配置600 MPa（87.0 ksi）钢筋的构件的耗能能力最多可减少25%；在外部连接的情况下，由于发展长度不

30、足，主要的粘结滑移发生在梁底，降低了构件的变形能力和耗能能力15。2014年，Tavallali Hooman，Lepage Andres，Rautenberg Jeffrey M对7根配置不同强度钢筋的混凝土梁进行了研究，其中4根构件配置60级（415MPa）的普通钢筋，3根构件配置90级（670MPa）的高强钢筋，对比分析位移逆转作用下构件的反应，试验结果表明：同配置普通钢筋的混凝土梁相比，配置高强钢筋的混凝土梁具有更好的循环位移16。2014年，王君杰，苏俊省，王文彪，等对11个配置HRB335，HRB500E，600MPa钢筋的混凝土圆形柱进行了水平低周往复试验，研究高强度钢筋对试件抗

31、震性能的影响，试验结果表明：采用不同强度钢筋时，试件均为典型的弯曲破坏，墩底形成塑性铰，纵筋断裂；钢筋等体积代换时，纵筋强度对试件承载力、变形能力和总耗能能力影响较大，箍筋强度影响较小；等强度代换时，试件抗震性能基本保持不变，采用高强钢筋可以减小钢筋用量；箍筋间距增大时，箍筋对纵筋约束减小，试件变形能力和耗能能力减弱；混凝土强度对试件抗震性能影响较小17。综上所述，对于配置500MPa高强钢筋的混凝土结构，国内外都有一定程度的研究，而涉及到配置600 MPa钢筋混凝土结构，国内的研究较少，仅有王君杰等对配置600MPa钢筋的圆形柱进行了抗震性能试验。目前，HRB500级钢筋已经列入我国相关规范

32、当中，而对于600MPa钢筋的研究还不太成熟，国内学者还需要对其进行大量的试验研究及理论分析，进而使其列入我国相关规范中，从而促进这种新型材料在工程领域中的应用，使我国建筑行业用钢水平和国际接轨。1.3 无粘结部分预应力结构特点及国内外研究现状1.3.1 无粘结部分预应力结构特点预应力混凝土结构与普通钢筋混凝土结构相比，有很明显的优点：可提高结构的抗裂性能、刚度；增加结构的耐久性；自重轻；能节约材料。无粘结预应力混凝土结构与有粘结预应力混凝土结构相比，对锚具可靠性依赖强，若锚具破坏，则会导致预应力筋失效，因此安全性较低；而且预应力筋的油脂、皮套、锚具遇火性能会退化，因此其抗火性能较差。但其优点

33、十分明显：成本较低、施工周期短；而且无需预留孔、无需灌浆，施工简单；预应力损失相对较小。无粘结预应力混凝土梁，一般分为全无粘结预应力混凝土梁和无粘结部分预应力混凝土梁。相对于全预应力混凝土梁，部分预应力混凝土梁虽然具有一定的缺点：裂缝出现较早；挠度较大；工作荷载下主拉应力高；同样的用钢量，极限强度略有降低18-20。但是其优点甚多：（1）可合理控制裂缝与变形，节约钢材，因可根据结构件的不同使用要求、可变荷载的作用情况及环境条件等对裂缝和变形进行合理的控制，降低了预加应力值，从而减少了锚具的用量，适量降低了费用； （2）可控制反拱值不致过大，由于预加应力值相对较小，构件的初始反拱值小，徐变变形亦

34、减小；（3）延性较好，在部分预应力混凝土构件中，通常配置非预应力受拉钢筋，因而其正截面受弯的延性较好，有利于结构抗震，并可改善裂缝分布，减小裂缝宽度；（4）可简化张拉、锚固等工艺，获得较好的综合经济效益21-23。1.3.2 无粘结部分预应力结构国内外研究现状目前，国内外众多专家学者通过无粘结部分预应力混凝土构件的疲劳和不同加载方式的静载试验，对其长短期刚度、正截面抗裂性能、极限抗弯承载力和预应力筋极限应力增量等方面进行了相关研究：1974年，R.N.Swamy，K.L.Anand 对配置高强混凝土的预应力梁在弯曲变形下的受力性能进行了研究，结果表明：配置高强混凝土的预应力梁具有较好的延性，破

35、坏前有明显的征兆，裂缝宽度满足正常使用极限状态的要求 24。1980年，Nawy E.G，Chiang J.Y对22根无粘结预应力混凝土梁和24根先张法预应力混凝土梁进行了受弯性能试验，试验结果表明：试验梁的平均裂缝间距均小于箍筋间距，配置非预应力受拉钢筋可有效限制裂缝的发展25。1991年，Haraj1i M H，Kanj M Y对无粘结预应力混凝土梁进行了试验，研究了非预应力筋配筋率、综合配筋指标及加载方式等因素对无粘结预应力筋应力增量的影响26。2002年，宋永发，宋玉普对26根无粘结部分预应力混凝土梁进行了试验，研究试验梁延性的影响因素，试验结果表明：随着非预应力受拉钢筋配筋率和预应力

36、筋配筋率的增大，试验梁的延性逐渐减小；随着受压区非预应力筋配筋率的增大，试验梁的延性逐渐增大；荷载的作用方式对试验梁的延性也有一定的影响27。2004年，S.K.Padmarajaiah，Ananth Ramaswamy对采用高强纤维混凝土的8根全预应力混凝土梁和7根部分预应力混凝土梁进行了试验，试验结果表明：相对于全预应力高强纤维混凝土梁，部分预应力高强纤维混凝土梁的抗弯承载力较低，抗裂性能较差；试验梁的延性及耗能能力随着混凝土中钢纤维含量的增加而提高28。2007年，罗小勇，跃科，邓鹏麒对6根无粘结部分预应力混凝土梁和1根普通钢筋混凝土梁进行了疲劳试验，试验结果表明：试验梁的疲劳破坏主要是

37、由非预应受拉钢筋的疲劳断裂引起的；荷载重复200104 次后，无粘结部分预应力混凝土梁的刚度退化明显29。2008年，谢奕欣对无粘结预应力混凝土梁进行了有限元分析，研究了非预应力受拉钢筋配筋率、预应力筋配筋率及混凝土强度等因素对试验梁的耗能能力、抗弯性能和延性的影响30。2012年，郑毅敏，何礼东，赵勇对10根无粘结部分预应力混凝土梁进行了简支状态下的受弯性能试验，研究配置HRBF500非预应力受拉钢筋的试验梁的预应力筋应力增量、受弯承载力及位移延性，试验结果表明：无粘结预应力筋的极限应力增量与综合配筋指标基本呈线性关系，较规范GB50010-2010中公式的计算值明显偏大；梁跨中的屈服位移较

38、大，位移延性较差，且随综合配筋指标增大，位移延性系数减小31。 2012年，赵少伟，李昕桐，王荣霞，等对9根不同非预应力钢筋强度和配筋率、不同布筋形式的无粘结部分预应力混凝土试验梁进行了试验，试验结果表明：随着非预应力钢筋强度的提高，试验梁的正截面抗弯承载力明显提高；随着普通钢筋配筋率的提高，构件开裂后的刚度增大，但非预应力筋强度等级和无粘结钢绞线布筋形式对刚度的影响较小32。2012年，O.F.Hussien，T.H.K. Elafandy，A.A.Abdelrahman对9根高强钢筋混凝土梁的进行了受弯性能试验，试验结果表明：部分预应力梁的裂缝的分布作用优于全预应力梁33。2013年，李雲

39、对对称配筋的无粘结部分预应力混凝土梁进行了低周反复试验，对试验梁的滞回率特性和恢复特性进行了相关分析，得到了试验梁的弯矩和曲率的恢复模型，并提出了恢复力模型的相关计算公式34。2014年，唐昌辉，叶林，赵铸在已完成的16根无粘结部分预应力混凝土梁的基础上，对不同配筋率的13根无粘结部分预应力混凝土梁进行了分析，建立了无粘结部分预应力混凝土梁的弯矩曲率恢力模型，根据得到的弯矩曲率恢复力模型，采用虚梁法编程计算了无粘结部分预应力混凝土的弯矩挠度滞回曲线，计算结果与试验结果吻合良好35。从以上研究可以看出，国内外对于无粘结部分预应力混凝土梁的研究参数较为广泛，而且其中不乏配置高强钢筋在该结构中的研究

40、，为本文在无粘结部分预应力混凝土梁中配置600MPa钢筋的研究提供了试验依据。1.4 课题的主要研究内容为了研究配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的受力性能，本课题对5根试验梁进行了受弯性能试验，以非预应力受拉钢筋配筋率及混凝土强度为变量，主要研究内容如下：（1）分析非预应力受拉钢筋配筋率及混凝土强度对无粘结部分预应力混凝土梁的抗裂性能、极限承载力、变形和预应力筋极限应力增量的影响。（2）分析配置600MPa钢筋的试验梁各受力阶段的应力应变情况，并给出600MPa钢筋的相关设计建议。（3）对试验梁的开裂荷载、极限承载力、裂缝间距和宽度、挠度及预应力筋极限应力增量的试验值与计算值进行

41、对比，分析现行混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)中的相关公式是否仍旧适用于配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁。（4）通过建立配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的ANSYS有限元模型，对比分析试验梁的开裂荷载、极限荷载、挠度及预应力筋应力增量。第二章 无粘结部分预应力梁的设计制作及材料性能试验本试验共设计了5根无粘结部分预应力混凝土梁，研究非预应力受拉钢筋配筋率及混凝土强度对试验梁在静力荷载作用下受力性能的影响。试验梁分为两组，第一组研究变量为非预应力受拉钢筋配筋率，以配置2根、3根、4根直径18mm的600MPa钢筋作对比分析；第二组研究变量为混凝土强度，

42、以采用标号为C40、C50及C60的混凝土作对比分析。2.1 试验梁的设计试验共设计了5根无粘结部分预应力混凝土梁，研究非预应力受拉钢筋配筋率及混凝土强度对试验梁受力性能的影响。试验梁所配置的非预应力受拉钢筋均为直径18mm的600MPa钢筋；预应力筋均采用直径为15.2mm，抗拉强度标准值为1860MPa的钢绞线；架立筋、腰筋均采用直径14mm的HRB400级钢筋；箍筋均采用直径10mm的HRB400级钢筋。为加强构件的抗剪性能，在梁端支座处采用6支间距50mm的箍筋加密，梁纯弯段箍筋间距200mm，其余部分箍筋间距100mm，经验算试验梁的抗剪性能满足要求。试验梁的截面尺寸均为l0bh=4

43、800mm400mm500mm，非预应力筋距梁底的距离为49mm，预应力筋距梁底的距离为98mm，预应力筋线型均为直线型。试验梁截面形式与配筋如图2.1所示，设计参数见表2.1。（a）试验梁配筋（b）试验梁截面形式图2.1 试验梁截面形式及配筋表2.1 试验梁设计参数构件编号计算跨度l0(mm)预应力筋线型非预应力受拉钢筋配筋预应力绞线配筋As(mm2)Ap(mm2)混凝土强度等级UPC-14800直线型3E18315.2763417C50UPC-24800直线型2E18315.2509417C50UPC-34800直线型4E18315.21017417C50UPC-44800直线型3E183

44、15.2763417C40UPC-54800直线型3E18315.2763417C60注： E600MPa钢筋符号As、Ap非预应力受拉钢筋、预应力筋配筋面积试验梁编号为UPC-1至UPC-5，分为2组进行研究，第一组构件为UPC-1、UPC-2及UPC-3，研究变量为非预应力受拉钢筋配筋率，第二组构件为UPC-1、UPC-4及UPC-5，研究变量为混凝土强度。2.2 试验梁的施工制作及预应力筋的张拉2.2.1 试验梁的施工制作 本试验的5根试验梁均在河北工业大学结构试验室制作，在钢筋绑扎之前需对测点位置粘贴钢筋应变片，并对钢筋应变片做防水处理。钢筋骨架绑扎好之后，需事先将钢绞线固定在钢筋骨架

45、之中，为保证钢绞线位置准确且浇筑时不发生偏移，沿梁长方向每隔1m固定一个钢筋支托，用绑丝将钢绞线固定在钢筋支托上。在模板支护成形后，将固定好钢绞线的钢筋骨架按正确位置放入模板中开始进行浇筑，现场采用插入式振捣方式进行振捣。试验梁浇筑完成后表面抹平，用塑料薄膜覆盖，待混凝土浇筑完毕后12小时左右开始洒水养护，养护一周后拆模，试验梁制作如图2.2所示。 （a）钢筋应变片的防水 （b）无粘结钢绞线的固定 图2.2 试验梁的制作2.2.2 预应力筋的张拉当混凝土强度达到75%时，对试验梁的预应力钢绞线进行张拉，张拉采用一端张拉，所用设备为液压油泵和前卡式千斤顶。张拉时为减小预应力钢筋松弛引起的预应力损

46、失，需对预应力筋张拉至1.05倍张拉控制应力，持荷2分钟。为了在张拉过程中能够通过锚索测力传感器监测钢绞线应力的变化情况，需在张拉端放置锚索测力计，预应力筋张拉如图2.3所示。 （a）液压油泵 （b）前卡式千斤顶 （c）锚索测力计 （d）锚索测力传感器图2.3 预应力筋的张拉2.3 试验梁材料力学性能试验2.3.1 钢筋材料试验试验所用非预应力受拉钢筋、架立筋、箍筋及腰筋均由河北钢铁集团承钢公司提供。试验对同批次不同规格的钢筋各预留一组，每组截取3根长度为500mm的钢筋。根据金属材料室温拉伸试验方法36（GB/T228.1-2010）中的相关规定，对预留的钢筋进行拉伸试验，所得钢筋实测性能参

47、数见表2.2。表2.2 实测钢筋性能参数钢筋强度直径(mm)屈服强度(MPa)极限强度(MPa)弹性模量(105MPa)伸长率（%）HRB40010461.5627.52.019.50HRB40014453.36162.018.37600MPa18654.38242.015.172.3.2 混凝土试块试验试验梁分三批浇筑完成，混凝土等级分别为C40、C50及C60。每根试验梁预留6个规格为150mm150mm150mm的立方体试块，试块与试验梁在同等条件下养护。当到达养护龄期后，按照普通混凝土力学性能试验方法标准37（GB/T 50081-2002）中的相关规定对试块进行抗压强度试验，所得混凝

48、土实测性能参数见表2.3。表2.3 实测混凝土性能参数 混凝土强度等级立方体抗压强度fcu(MPa)轴心抗压强度fc(MPa)轴心抗拉强度ft (MPa)弹性模量Ec(104MPa)C4047.3231.652.903.41C5054.2735.113.023.52C6067.4243.273.293.682.3.3 预应力筋材料试验试验所用钢绞线为17标准型钢绞线，按照预应力混凝土用钢绞线38（GB/T 5224-2014）有关规定对构件所用钢绞线的同批预留试样进行钢绞线拉伸试验，试验结果见表2.4。表2.4 预应力筋试验数据编号公称直径Dn (mm)最大力Fm（kN非比例延伸力FP0.2

49、(kN)抗拉强度Rm (MPa)最大力总伸长率Agt (%)弹性模量Ep (GPa)UPS-115.24264.00237.001885.743.7190UPS-215.24264.00237.001885.743.7195UPS-315.24270.00243.001928.574.1197规范15.2426023418603.51952.4 试验加载设备及加载方案2.4.1 试验加载设备试验梁均为简支梁，即一端采用固定支座，另一端采用滑动铰支座，加载方式均采用三分点对称集中加载。加载设备采用100t液压千斤顶，型号为RSC-100150，行程为150mm。加载前将液压千斤顶置于分配梁跨中，

50、并在千斤顶与反力梁之间放置压力传感器以控制各级荷载值，试验现场加载装置如图2.4所示。图2.4 试验现场加载装置2.4.2 试验加载方案试验加载分为预加载和正式加载，在试验正式加载之前先进行预加载。试验梁均采用单调静力加载。（1）预加载试验的预加载在正式加载前进行，预加载以2t为一级分两级加载，持荷10分钟，以检查各仪器是否正常工作，待确定一切正常后卸载至0t准备正式加载。（2）正式加载试验正式加载时以2t为一级加载，持荷10分钟，当荷载值接近理论计算的开裂荷载及非预应力受拉钢筋的屈服应变时，为捕捉特征荷载值改为1t为一级加载。当试验梁非预应力受拉钢筋屈服后，以1mm为一级采用位移控制加载，直

51、至试验梁破坏。2.4.3 试验荷载的确定试验前需通过万能试验机对压力传感器进行标定，标定结果是29为1t（即9.8kN）。试验前还需对试验梁、分配梁及千斤顶进行称重，经过计算得出试验梁、分配梁及千斤顶重量对梁纯弯段产生的弯矩值为19.45kNm。混凝土结构试验方法标准39（GB50152-2012）对试验中承载力的确定有明确的规定，结合试验实际监测结果，试验梁到达极限状态时，以非预应力高强钢筋受拉应变达到0.01判定。2.5 试验梁测点布置及数据采集本试验观测的主要内容是非预应力受拉钢筋应变、混凝土应变、试验梁变形、裂缝间距及宽度、荷载值、预应力筋应力增量等。（1）非预应力受拉钢筋应变试验采用

52、钢筋应变片量测非预应力受拉钢筋应变，在试验梁的钢筋骨架绑扎之前，将钢筋应变片布置到非预应力受拉钢筋上。测点位置为跨中和两个三分点位置，同时为了保证在跨中应变片失效的情况下试验仍能正常进行，在距跨中位置20cm处额外布置一个钢筋应变片。钢筋应变片的规格为5mm3mm，用502胶水将其和端子贴到打磨平整光滑的测点位置并通过端子与绝缘导线连接，最后外裹绝缘胶带并采用环氧树脂做防水处理。钢筋应变片数据、混凝土应变片数据及电子位移计数据均采用DH3816静态应变测试系统采集，如图2.5所示。图2.5 DH3816静态应变测试系统（2）混凝土应变试验梁的混凝土应变采用规格为100mm5mm的混凝土应变片量

53、测，试验开始前用环氧树脂将其贴到试验梁的指定位置。由于跨中位置处于纯弯段，受力特征较为明显，裂缝出现较为集中，因此在试验梁的跨中两侧对称布置，在三分点位置布置一侧，测点在梁顶及梁底各粘贴一个混凝土应变片，侧面等距布置5个混凝土应变片，混凝土应变片布置如图2.6所示。图2.6 混凝土应变片布置图（3）试验梁变形为监测试验中梁体变形情况，试验前预先在试验梁的跨中、三分点及支座处各架设一块电子位移计以测量这五个测点的竖向位移，并在电子位移计与试验梁接触面用环氧树脂粘贴玻璃片，以减小因接触面不平整造成的误差，电子位移计布置图如图2.7所示。图2.7 电子位移计布置图（4）裂缝间距及宽度试验对裂缝的观测

54、主要是外观观测并结合混凝土应变片确定，试验前在梁体表面均匀涂刷大白膏并划分网格，以便对裂缝进行观测。在试验过程中梁体出现裂缝后，采用直尺测量裂缝的间距；采用KON-FK(B)裂缝宽度监测仪观测裂缝的宽度，观测设备如图2.8所示。图2.8 KON-FK(B)裂缝宽度监测仪（5）预应力筋应力增量为了对预应力筋应力变化情况进行监测，在预应力筋张拉之前于张拉端放置锚索测力计。在试验正式开始后，通过锚索测力传感器和锚索测力计配合使用实时监测预应力筋应力变化情况。第三章 无粘结部分预应力梁受力性能试验结果分析通过5根配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁在单调静力荷载作用下的受力性能试验，观测各试

55、验梁在加载过程中的试验现象。同时通过钢筋应变片、混凝土应变片，观测非预应力受拉钢筋及混凝土在加载过程中的应变，分析其与荷载的关系；通过电子位移计，观测试验梁在加载过程中的挠度变化，分析其随荷载的变化情况；通过锚索测力传感器，观测预应力筋应力在加载过程中的变化情况，分析预应力筋应力与荷载的关系，并对其预应力损失进行分析。3.1 试验现象为了准确监测试验梁裂缝出现的位置及其发展，试验前在梁体表面均匀涂刷大白膏并划分网格，每个网格尺寸为50mm50mm，网格编号从上到下为A-J，从左到右为1-96；试验开始前用锚索测力传感器量测预应力筋应力，此时锚索测力传感器显示的数值为试验梁的有效预应力值；试验开

56、始前在梁跨中位置架设百分表，以便对试验过程中梁跨中变形进行直观观测。（1）试验梁UPC-1试验现象试验梁UPC-1配置的非预应力受拉钢筋为3根直径18mm的600MPa钢筋，混凝土强度等级为C50，试验前测得有效预应力为1131.79MPa。试验梁正式加载时以2t为一级加载，当加载至16t时，为捕捉开裂弯矩改为每级1t加载，加载至20t时，J36和J45同时出现裂缝，试验梁退出弹性工作状态，此时测得J36裂缝宽度为0.04mm，锚索测力传感器读数为1145.5MPa，在混凝土开裂前百分表读数较为稳定，达到开裂荷载时百分表读数跳跃性增大。加载值改回每级2t继续加载，试验梁侧面陆续出现新裂缝并快速

57、向上发展，当荷载值达到26t时裂缝在梁底贯通；加载至28t时，最大裂缝宽度达到0.2mm，在J45处；当加载至40t时改为每级1t加载，当荷载值达到45t时，位于跨中的2个钢筋应变片达到屈服应变，钢筋应变达到3214，此时最大裂缝宽度达到0.71mm，在52处，锚索测力传感器读数为1313.07MPa。钢筋屈服后改以位移控制进行加载，此时试验梁不再出现新裂缝，试验梁变形及钢绞线应力增长较之前急剧增大，当荷载值达到59.09t时，钢筋应变达到9388，试验梁达到极限状态，此时最大裂缝宽度出现在29处为1.32mm，锚索测力传感器读数为1552.32MPa。试验梁卸载后，变形回复明显，裂缝大多闭合

58、，残余挠度仅为最大挠度的1/10左右。（2） 试验梁UPC-2试验现象试验梁UPC-2配置的非预应力受拉钢筋为2根直径18mm的600MPa钢筋，混凝土强度等级为C50，试验前测得有效预应力为1061.93MPa。试验梁正式加载至22t时，J34和J40同时出现裂缝，此时锚索测力传感器读数为1081.29MPa。随后J46、J57、J64等位置陆续出现新裂缝，当荷载值达到26t时裂缝在梁底贯通，三分点处梁底混凝土应变片被拉断退出工作，同时多条裂缝发展至截面中部；加载至28t时，最大裂缝宽度在J40处达到0.2mm；当荷载值达到42t时，位于三分点处的2个钢筋应变片达到屈服应变，钢筋应变达到31

59、00，此时最大裂缝宽度达到0.99mm，在34处，锚索测力传感器读数为1280.93MPa。钢筋屈服后试验梁变形及钢绞线应力增长较之前急剧增大，当荷载值达到53.62t时，钢筋应变达到8269，试验梁达到极限状态，此时最大裂缝宽度在46处达到1.63mm，锚索测力传感器读数为1517.00MPa。试验梁卸载后，残余挠度仅为最大挠度的1/6左右。（3） 试验梁UPC-3试验现象试验梁UPC-3配置的非预应力受拉钢筋为4根直径18mm的600MPa钢筋，混凝土强度等级为C50，试验前测得有效预应力为1093.79MPa。试验梁正式加载至19t时，J36、J45和J51同时出现裂缝，此时锚索测力传感器读数为1101.71MPa。随后试验梁侧面J32、J40和J43等处陆续出现新裂缝并快速向上发展，加载至32t时，32、56及63处裂缝发展至截面中部；加载至36t时，最大裂缝宽度在J32处达到0.2mm；当加载至56t时，位于跨中的1个钢筋应变片和位于三分点位置的一个钢筋应变片达到屈服应变，钢筋应变达到3106，此时最大裂缝宽度达到0.50mm，在47处，锚索测力传感器读数为1258.21MPa。继续加载，当荷载值达到77t时，钢筋应变达到109