张 波
(宁夏建设职业技术学院，宁夏 银川 750021)
预应力混凝土框架梁的监测及有限元分析
张 波
(宁夏建设职业技术学院，宁夏 银川 750021)
对某实际工程中的预应力框架梁在张拉阶段进行检测试验及相关有限元数值模拟，结果表明：针对预应力筋张拉应力的间接测量方法符合预应力混凝土的结构特性，所得检测值能够较客观反映结构预应力筋的应力变化情况，且此方法简单易操作，成本较低，可以在工程实际中大量利用和发展。
预应力检测,有限元分析,间接法,应变
0 引言
在环境和荷载的长期作用下，结构和系统对灾害的抵抗能力会逐渐降低，损伤也逐渐积累，这给结构的正常使用带来很大的威胁，严重时甚至会引发灾难性的后果。而预应力结构的安全与否与预应力损失程度有直接的关系，对预应力损失的长期监测，始终是工程界十分关注的问题。影响预应力损失的因素众多，准确地确定预应力混凝土构件内的预应力损失是一个复杂的问题[1]，它与很多因素有关。某一个影响因素(例如力筋松弛)所引起的损失是在不停地被其他因素(如混凝土的徐变)所引起的应力变化改变着，各因素不是单独作用的，而是相互影响的。通过探讨对预应力构件中预应力筋张拉应力的测量方法，并结合海南某实际预应力煤斗梁检测项目，利用大型有限元软件ANSYS和SAP2000对检测结果进行分析对比，对所采用检测方法的准确性进行了校核。
1 预应力混凝土梁的有限元分析
分别利用有限元软件ANSYS和SAP2000对此预应力煤斗梁其中的一榀进行了有限元模拟，在ANSYS计算中，由于此预应力筋为曲线筋，所以利用独立耦合方法进行建模，并用降温法施加钢筋预应力，利用多工况分析计算煤斗梁不同工作时期的力学性能，此方法可以考虑预应力的损失以得到与实际工程更为相符的结果。在SAP2000软件的计算中，对预应力混凝土框架进行数值模拟分析，计算检测期内不同受力阶段预应力混凝土框架梁的变形(反拱或挠度)，以及预应力筋的应力变化情况。
比较两种有限元软件的计算结果，所建立的有限元模型如图1所示，在施加重力荷载和预应力之后，得到的梁的横向位移云图如图2所示。
对比不同有限元软件的计算结果，梁在施加重力和预应力荷载之后，得到的梁的力学性能如表1所示。
表1 梁跨中截面混凝土应变有限元
2 试验测量结果分析
当前预应力的测试技术归纳为：锚端预应力测试、预应力直接测试和无损超声测试等[2]。针对海南某电厂侧煤仓框架预应力混凝土煤斗梁的预应力筋的应力，提出了改进的预应力间接测量方法，即通过量测混凝土的压应变来间接评价预应力筋的应力水平，预应力筋的应力变化根据梁的混凝土压应变的实测值反演得出。
2.1 应变测点布置
检测对象为侧煤仓框架中部的相邻两榀框架预应力混凝土梁，需进行检测的预应力混凝土梁数量为2根。在每根待测梁跨中截面靠近预应力筋的非预应力筋处布置2个埋入式混凝土应变计；在待测梁跨中截面两侧表面分别均匀粘贴5个混凝土应变片，单根梁上共布置10个混凝土应变片测点。
2.2 检测数据处理
结合已有的研究成果，拟采用两种方法推算YB，YC梁预应力筋有效预应力值σps，通过将采用两种方法得到的σps推算值进行相互间比对，验证推算值的合理性。
1)通过实测YB，YC梁跨中截面混凝土应变值推算σps。
考虑到预应力筋张拉完成后外荷载加载前，混凝土仍基本处于弹性状态，可利用预应力筋张拉应力与混凝土应变的线性变化关系，推算待测梁预应力筋的有效预应力值σps，σps可按式(1)计算：
(1)
式中：σpj——待测梁预应力筋有效预应力的理论计算值，N/mm2；εshi——距离梁底hi高度处混凝土应变的实测平均值，με；εjhi——距离梁底hi高度处混凝土应变的理论计算值，με；n——单根待测梁上跨中截面混凝土应变测点所在的不同梁高位置的总数，n=6。
2)通过推算出的YB,YC梁锚具回缩损失σl1及预应力摩擦损失σl2推算σps。
考虑到在预应力筋张拉完成早期，预应力筋松弛及混凝土收缩、徐变等引起的预应力损失较小故而可将其近似忽略，于是σps可按式(2)计算：
σps=σcon-σl1-σl2
(2)
2.3 检测结果及分析
YB,YC梁跨中截面混凝土应变实测值与理论计算值的比较见表2，由表2可以看出，YB,YC梁预应力筋张拉完成后，跨中截面的混凝土应变实测值与理论计算值相近，说明YB,YC梁预应力筋张拉完成后，在跨中截面的混凝土中所建立的有效预压应力是足够的，满足设计要求。
表2 YB,YC梁跨中截面混凝土应变实测值
根据混凝土应变实测数据以及YB,YC梁的σl1,σl2推算值，可分别采用式(1),式(2)，整理得到张拉完毕时预应力筋的有效预应力推算值，见表3，与设计值的比较也一并列于表3中。表3中设计值参考SAP2000有限元计算结果给出，其中仅考虑了锚具回缩损失及摩擦损失对预应力筋有效预应力的影响。
表3 YB,YC梁张拉完毕时预应力筋的有效
计算结果分析：
1)由表3可以看出，预应力筋张拉到张拉控制应力锚固后，利用式(1),式(2)分别得到的YB，YC梁相同位置处预应力筋的有效预应力的推算值的差值百分比在-3.7%～0.6%之间，可见两者均较为接近，表明采用式(1),式(2)得到的预应力筋的有效预应力的推算值是可信的。
2)结合表3还可以看出，预应力筋张拉到张拉控制应力锚固后，利用式(1)得到的YB,YC梁预应力筋的有效预应力推算值，分别比预应力筋有效预应力的设计值平均偏大5.4%和5.1%；利用式(2)得到的YB,YC梁预应力筋的有效预应力推算值，分别比预应力筋有效预应力的设计值平均偏大2.4%和2.1%。由此可见，预应力筋张拉到张拉控制应力锚固后，YB,YC梁跨中截面预应力筋的有效预应力是足够的，满足设计要求。
3 结语
提出一种适用的间接测量方法，在理论上符合预应力混凝土的结构特性。现有试验结果和有限元计算结果均表明此方法可以在一定程度上得到客观的监测结果，反映结构的预应力筋应力变化情况，实现对预应力混凝土结构的监测，从而减少安全隐患。且此方法简单易操作，成本较低，可以在工程实际中加以大量利用和发展。
[1] Lin T Y, Ned Burns H. Design of prestressed concrete structures(Third Edition)[M].New York:John Wiley and Sons,1981.
[2] 郭红霄，张学民，王卫承,等．85 m长钢绞线束张拉施工技术[J]．铁道标准设计,2001,21(7):5-6,10.
The measuring test and finite element analysis for prestressed concrete beams
Zhang Bo
(NingxiaConstructionVocationalandTechnicalCollege,Yinchuan750021,China)
Based on one prestressed frame beam in an actual project, both the indirect measuring test and the finite element numerical simulation about the reinforcement prestress were made. The test and simulation results show that the effect prestress obtained from indirect measure methods can reflect the prestress history relatively well. Meanwhile, the indirect measure method has the advantages of low cost and easy operation, which can be exploited and developed in general projects.
prestressed reinforcement measuring test, finite element analysis, indirect method, strain
1009-6825(2017)22-0041-02
2017-05-27
张 波(1979- )，男，讲师
TU375.4
A
