預(yù)應(yīng)力影響抗彎承載力嗎（II）？

2025年，我們提出對(duì)課本預(yù)應(yīng)力是否影響抗彎承載力的質(zhì)疑，()。經(jīng)過(guò)接近一年的計(jì)算分析，嘗試回答這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)同行批評(píng)指正。

01

有限元模型

選用了文獻(xiàn)[1]中的3.1m矩形截面預(yù)應(yīng)力混凝土試件，如圖1所示，文中材料參數(shù)如表1所示。另外按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）考慮了C50混凝土材料塑性損傷模型和鋼筋理想彈塑性模型。

圖1 矩形截面預(yù)應(yīng)力混凝土試件

表1 材料基本參數(shù)

建立了相應(yīng)的三維實(shí)體有限元模型，按照論文方式在跨中設(shè)置鋼板，并施加位移荷載。將預(yù)應(yīng)力分別定為1395MPa和0MPa以探究預(yù)應(yīng)力的影響，在梁端設(shè)置錨固鋼板，以避免局部應(yīng)力集中。另考慮了有、無(wú)箍筋的情況，探究箍筋對(duì)構(gòu)件承載力的影響。模型概況如圖2所示。

（a）有箍筋

（b）無(wú)箍筋

圖2 三維實(shí)體靜力有限元模型

02

結(jié)果分析

支反力-跨中位移曲線如圖3所示。結(jié)果表明，構(gòu)件表現(xiàn)出較明顯延性特征，與無(wú)預(yù)應(yīng)力工況相比，施加預(yù)應(yīng)力后，構(gòu)件極限承載力明顯提高。該結(jié)論與文獻(xiàn)[2]類似，如圖4所示。其中，有箍筋構(gòu)件的承載力提升為16.78%，無(wú)箍筋構(gòu)件的承載力提升為54.65%。

圖3 支反力-跨中位移曲線

圖4 不同預(yù)應(yīng)力水平的荷載-位移曲線（預(yù)應(yīng)力水平0%-45%）

預(yù)應(yīng)力可以提升抗彎承載力，主要原因是：

（1）預(yù)應(yīng)力限制了受拉區(qū)裂縫開展，提升了預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的粘結(jié)。由于缺乏軸向預(yù)壓力，無(wú)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的受拉區(qū)混凝土裂縫發(fā)展程度遠(yuǎn)大于有預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，破壞（受壓區(qū)混凝土壓碎）時(shí)的裂縫狀態(tài)如圖5所示。

（a）無(wú)預(yù)應(yīng)力

（b）有預(yù)應(yīng)力

圖5 達(dá)到極限承載力時(shí)的裂縫狀態(tài)

受拉區(qū)大量開裂會(huì)導(dǎo)致混凝土-預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)失效位置增多，無(wú)預(yù)應(yīng)力用高強(qiáng)鋼絞線，極限承載力與無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土破壞模式相似。多篇文獻(xiàn)[3]-[5]表明：對(duì)于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，荷載作用下兩者協(xié)同變形，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變隨截面曲率同步增加，應(yīng)力增量顯著，能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，構(gòu)件破壞時(shí)可以達(dá)到屈服強(qiáng)度；對(duì)于無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，與相鄰混凝土變形不協(xié)同，允許相互滑動(dòng)，應(yīng)力增量小于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，難以充分發(fā)揮材料強(qiáng)度。

預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度充分發(fā)揮方面，文獻(xiàn)[6]指出，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在受壓區(qū)混凝土壓碎時(shí)甚至達(dá)不到屈服強(qiáng)度，且預(yù)應(yīng)力張拉水平越低，破壞時(shí)的應(yīng)力越低，如圖6所示。該結(jié)論與模擬結(jié)果相匹配：粘結(jié)失效嚴(yán)重的無(wú)預(yù)應(yīng)力梁在破壞時(shí)預(yù)應(yīng)力筋尚未達(dá)到屈服強(qiáng)度；有預(yù)應(yīng)力梁在破壞前就達(dá)到了屈服強(qiáng)度，如圖7所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力-位移曲線

（a）無(wú)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件：預(yù)應(yīng)力筋未屈服

（b）有預(yù)應(yīng)力構(gòu)件：預(yù)應(yīng)力筋屈服

圖7 構(gòu)件破壞時(shí)的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力水平

（2）預(yù)應(yīng)力為混凝土提供的預(yù)壓力提高了構(gòu)件抗剪承載力。文獻(xiàn)[7]指出：預(yù)應(yīng)力的豎向分力可直接抗剪，水平分力則使中性軸處微元體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，減小混凝土主拉應(yīng)力，抑制裂縫發(fā)展，并增加剪壓區(qū)高度，提高混凝土抗剪貢獻(xiàn)。根據(jù)圖3，在有預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下，有無(wú)箍筋情況下的力-位移曲線基本重合；無(wú)預(yù)應(yīng)力情況下，無(wú)箍筋構(gòu)件的承載力降低程度（54.65%）遠(yuǎn)大于有箍筋構(gòu)件（16.78%）。這表明在缺少箍筋（承擔(dān)重要抗剪作用）時(shí)，預(yù)應(yīng)力發(fā)揮了顯著抗剪作用。若無(wú)箍筋無(wú)預(yù)應(yīng)力，抗剪主要依靠混凝土自身承擔(dān)，構(gòu)件過(guò)早出現(xiàn)彎剪斜裂縫，剛度降低，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土過(guò)早被壓碎，如圖8所示。

（a）大量彎剪斜裂縫

（b）受壓區(qū)混凝土壓碎

圖8 無(wú)箍筋無(wú)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件破壞狀態(tài)

03

結(jié)論

從傳統(tǒng)橋梁中預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件上看，采用高強(qiáng)鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力可以顯著提升抗彎承載力。

直接原因?yàn)?/strong>：

不施加預(yù)應(yīng)力，受拉區(qū)混凝土裂縫充分發(fā)展，破壞了鋼絞線與混凝土之間的粘結(jié)，高強(qiáng)鋼絞線屈服前，受壓區(qū)混凝土已經(jīng)被壓碎。

間接原因?yàn)?/strong>：

在受彎區(qū)裂縫充分發(fā)展后，無(wú)預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗剪承載力顯著降低，受剪破壞成為荷載作用下控制性破壞模式。

在裂縫充分發(fā)展的大跨預(yù)應(yīng)力橋梁中，如果跨中下?lián)铣掷m(xù)變大，抗彎承載力將顯著降低。

考慮到是上述結(jié)論源自有限元分析和參考同行研究，實(shí)際橋梁構(gòu)件的足尺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。請(qǐng)各位同行不吝給出建議。

參考文獻(xiàn)

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