体外预应力加固钢筋混凝土箱梁应力增量的试验分析 Ｔｈｅ Ｔｅｓｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｔｒｅｓｓ Ｉｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｉｎ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｂｏｘ 王荣霞Ｗａｎｇ Ｒｏｎｇｘｉａ史俊芳ＳｈｉＪｕｎｆａｎｇ马海龙Ｍａ Ｈａｉｌｏｎｇ 摘要：本文结合实际箱梁结构工程．设计和制作了５片普 通钢筋混凝土小箱梁，基于被加固构件不同的初始受力状态． 本文设计制作了５片箱梁试验模型。箱梁全长４．５ｍ。计 算跨径４．２ｍ，为简支结构。试验梁均采用三分点加载方式。箱 梁混凝土强度为Ｃ５０，采用双折线体外预应筋加固。体外预应 力筋采用直径１５．２ｍｍ低松弛预应力钢绞线，其抗拉标准强 度１８６０Ｍｐａ。普通受拉钢筋为 １０和中１２的ＨＲＢ４００级钢 采用了构件予裂、不同张拉控制应力、不同配筋率等方式．进 行了体外预应力加固结构受力性能的试验研究 分析了不同 初始受力状态下结构加固前后混凝土截面上下缘应变和体外 预应力筋应力增量在各级荷栽下的发展规律，并将试验结果 筋，箍筋、纵向水平筋采用 ８。 与理论计算结果进行了比较，研究表明：在纯弯矩荷载作用 ２．试验梁分组基本情况 下，跨中截面顶、底板混凝土应变分布不均匀，梁在开裂后比 试验梁分为两组，其配筋和张拉控制应力的基本情况见 开裂前剪力滞现象较明显。预应力筋张拉控制应力越小．应力 如下描述： 增量增长越快。配筋率对应力增量有一定影响．但影响较小 试件Ａ０１的加固形式为先预裂后进行体外预应力加固， 在本次试验中，体外预应力筋极限应力增量实测值与能量法 配筋率为１．０２５％，钢筋型号为ＨＲＢ４００，钢筋直径１２ｍｍ。张 计算得出的计算值较为吻合，在正常使用状态下预应力增量 拉控制应力为１０２３ＭＰａ；试件Ａ０２的加固形式为完整梁进行 用结构力学方法计算最为适合。 体外预应力加固，配筋率、钢筋型号、直径、张拉控制应力同 关键词：体外预应力小箱梁剪力滞应力增量计算 上；试件Ａ０３的加固形式、配筋率、钢筋型号、钢筋直径同 方法 Ａ０２，张拉控制应力为８３７ＭＰａ；试件Ｂ０１的加固形式、钢筋型 号、张拉控制应力同Ａ０１，配筋率为０．７１２％，钢筋直径１Ｏｍｍ； 前言 试件Ｂ０２各项特性同Ｂ０１。 体外预应力结构相对于传统的体内预应力结构具有维 护管理方便、预应力损失小、施工工期短等优点，能够较大幅 二．混凝土截面上下缘应变测试结果分析 度地提高旧桥承载能力，国内外桥梁界已得到了较为广泛的 绘制各加固梁在荷载作用下跨中截面上下缘实测应变分 应用，并且成为加固既有混凝土结构最有效的方法之一，尤其 布曲线，从各梁的跨中截面混凝土应变分布曲线可以看出：在 在箱梁结构中更为适用。但目前对于体外预应力技术的应用 纯弯矩荷载作用下，顶、底板混凝土应变分布不均匀，存在剪力 研究大都是针对矩形或Ｔ形截面梁进行【１ ｌ，而对体外预应力 滞现象，顶板分布存在正剪力滞现象，底板存在负剪力滞现象。 加固箱梁的研究较少，且基本均未考虑加固前原有结构的初 梁在开裂前剪力滞现象不够明显，但是在开裂后较明显。 始受力状态圜，把原有构件看作完整梁进行分析。这与结构的 实际受力状态不符。因此，本文结合实际箱梁结构工程，考虑 三．体外预应力增量的分析 被加固构件的初始状态，对五片钢筋混凝土箱梁（其中一片梁 １．体外预应力增量的计算方法 予裂）进行体外预应力加固构件受力性能的试验研究。分析了 目前，我国对体外预应力筋应力增量的计算尚无规范可 不同初始受力状态结构加固前后跨中截面上下缘应变及预应 依，一般按照无粘结预应力结构设计规范计算极限应力增量， 力筋应力增量在各级荷载下的发展规律，并将试验结果与理 但由于存在二次效应，其结果的可靠性尚有待验证。基于众多 论计算结果进行了比较，为进一步完善体外预应力加固工程 文献资料，本文在不同的受力状态下。主要用以下方法计算应 设计理论提供指导。 力增量： （１）结构力学的方法计算混凝土开裂前预应力筋应力增 一．试验概况 量同 本次试验针对被加固钢筋混凝土箱梁不同的初始受力 （２）能量法计算体外筋的极限应力增量［６１ 状态，包括开裂状态、不同配筋率、不同张拉控制应力等因素， （３）德国ＤＩＮ４２２７规范计算体外筋的极限应力增量 分析各级荷载下梁的挠度、裂缝分布、体外预应力钢筋应力增 （４）美国规范ＡＣＩ ３１ ８—８９计算体外筋的极限应力增量 量、承载能力等力学特性的变化特征，探讨体外预应力加固提 （５）采用我国《无粘结预应力混凝土结构技术规程》（ＪＧＪ 高承载能力的各种影响因素。限于篇幅，本文将重点分析试验 Ｄ６２－－２００４）的计算公式［５１ 梁加固前后跨中截面上下缘应变及预应力筋应力增量在各级 ２．体外预应力筋应力增量试验结果 荷载下的分布规律。 为了能够更好地分析各级荷载下体外预应力筋应力增 １．试验梁设计 量的变化规律，将每一根试验梁在各级荷载作用下体外筋的 一５１— 应力增量实测值绘成曲线。从曲线中可以 看出，在开裂荷载之前，预应力增量增加 的幅度较小，与外荷载呈线性增长。开裂 以后，体外预应力增量与外荷载不再呈线 性关系，应力增量有较大幅度的提高，曲 线的斜率也变大。还可以看出梁开裂后， 梁的体外预应力筋会突然增加，而后随着 荷载的不断增加，体外预应力增量呈不均 匀增加。在梁开裂之前，预应力筋的应力 增长比较缓慢，但是在开裂后～段时间， 应力增量急剧增长，表示预应力筋此时发 挥了很大作用。 袁３体外预应力筋极限应力计算值与试验值 增量采用结构力学方法计算值与实测值基本吻合。 ４预应力筋张拉控制应力越小，应力增量增长越快。 ５．结构配筋率对应力增量有一定影响，但影响较小。配筋 ３．体外预应力增量的计算值与试验值对比分析 比较各加固梁在正常使用阶段预应力筋应力增量实测 值与理论计算值。正常使用阶段体外预应力增量的计算采用 的是结构力学方法。比较分析后可得到以下结果： （１）除了Ａ０１梁之外，其它各梁正常使用阶段应力增量采 用结构力学方法计算值与实测值基本吻合。Ａ０１梁的试验值 率越小，应力增量会有适量增加。 ６许多国外规范对体外预应力筋极限极限应力增量取值 过于保守。我国的《无粘结预应力混凝土结构技术规程》 （ＪＧＪ／Ｔ９２—２００４）计算值偏大，对于设计偏于安全。在本次试 验中，体外预应力筋极限应力增量实测值与能量法计算得出 的计算值较为吻合。 河北省科技厅项目编号：（０７２１５６１３１） （作者单位：河北工业大学土木工程学院、廊坊市交通勘 察设计院；２０１０．９） 和计算值差别很大，可能是因为Ａ０１为预裂梁，本身存在裂 缝，进行预应力加固后裂缝闭合，再进行加载时，体外力筋已 发生了作用，因此在荷载作用下应力增长也较快。 （２）Ａ０２加固梁和Ａ０３加固梁试验值相比，Ａ０３的应力增 量增长较快，说明张拉控制应力越小，应力增量增长越快。 （３）从Ａ０２和Ｂ０２加固梁试验值来看，两者的应力增量差 别较小，说明配筋率对应力增量有一定的影响，但影响较小。 配筋率越小，应力增量会有适量增加。 表３所示为体外预应力筋极限应力增量试验值和各种理 参考文献 ［１１张仲先、张耀庭．体外预应力混凝土梁体外筋应力增 量的试验与研究铁道工程学报．２００３．４ ［２】祝明桥、方志、胡秀兰、徐昌慧．体外预应力高强混凝 论计算值的比较结果。 从表３可以看出，许多国外规范对极限预应力筋极限应 力增量取值过于保守。我国的《无粘结预应力混凝土结构技术 规程》（ＪＧＪ／Ｔ９２—２００４）计算值偏大，对于设计偏于安全。在本 次试验中，体外预应力筋极限应力增量实测值与能量法计算 得出的计算值较为吻合。 四．结论 本文结合实际箱梁结构工程，考虑被加固构件的初始状 态，包括开裂状态、不同配筋率、不同张拉控制应力，对五片钢 筋混凝土箱梁ｆ其中一片梁予裂）进行体外预应力加固构件受 力性能的试验研究。对不同初始受力状态下结构加固前后跨 土薄壁箱梁试验研究．中国公路学报．２００４ ３ ［３】颜志华．体外预应力加固混凝土梁试验研究．世界桥 梁．２００７ １ ［４】姜红光、王廷臣、徐辉．体外预应力加固混凝土简支梁 的试验研究．公路交通科技．２００６．３ 【５】Ｈａａｒｊｌｉ Ｍ Ｈ，Ｍａｂｓｏｕｔ Ｍ Ｅ，ＡＩ—ＨａｊｊＪＡ．Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｅｘ— ｔｅｍａｌｌｙ ｐｏｓｔ—ｔｅｎｓｉｏｎｅｄ ＣＯｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅｍｂｅｒｓ．ＡＣＩ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｊｏｕｎ— ｒａｌ，２００２．５ ［６】中华人民共和国行业标准．无粘结预应力混凝土结构 技术规程．（１ＯＪ／Ｔ９２—２００４） 中截面上下缘混凝土应变和体外预应力增量在各级荷载下的 发展规律进行了分析，结果表明： １．在纯弯矩荷载作用下，跨中截面顶、底板混凝土应变分 ［７】刘钊、贺志启、王景全．基于能量法的体外预应力梁力 筋应力增量研究，东南大学学报（自然科学版），２００８．１ ｌ８Ｊ薛伟辰．现代预应力结构设计．中国建筑工业出版社． ２００３ 布不均匀，存在剪力滞现象；顶板存在正剪力滞现象，底板存 在负剪力滞现象。梁在开裂前剪力滞现象不够明显，但是在开 裂后较明显。 ２．在开裂荷载之前，预应力增量增加的幅度较小，与外荷 载呈线性增长。开裂以后，体外预应力增量与外荷载不再呈线 性关系，应力增量有较大幅度的提高，曲线的斜率也变大。 ３．除了予裂加固梁之外，其它各加固梁正常使用阶段应力 一５２