考虑锚杆预应力作用下隧道围岩力学分析及参数设计

隧道工程中锚杆设计多依靠经验法和类比法,为研究预应力锚杆支护体系下围岩的力学效应,建立预应力锚杆与围岩力学耦合模型,考虑围岩开挖损伤效应,通过弹塑性力学理论推导出隧道开挖后围岩应力分布及径向位移解析表达式,采用有限差分软件FLAC3D进行算例验证并分析预应力锚杆参数对围岩状态的影响。研究结果表明:理论解析和数值模拟中最大切向应力和围岩塑性区半径分别为4.77 MPa、15 m和4.49 MPa、15.86 m,理论解析与数值模拟所计算隧道围岩应力分布、位移基本一致,在Ⅳ、Ⅴ级围岩地层中验证了理论解析解的合理性;随着预紧力增大,处于塑性区的围岩径向位移及塑性区半径逐渐减小,弹性区基本不受影响;当锚杆自由段长度位于塑性区时,随着锚杆长度增加,围岩塑性区径向位移及塑性区半径逐渐减小。在实际工程中应尽量增大锚杆预紧力,锚杆长度增加对围岩位移以及塑性区的发展控制效果有限,应控制锚杆自由段长度在塑性区内。

预应力UHPC槽形节段与整体式混凝土板组合梁受剪性能

将预制的UHPC槽形节段通过干缝连接和预应力张拉形成槽形梁,再与整体现浇的混凝土板组合成的组合梁,称为预应力UHPC槽形节段与整体式混凝土板组合梁(PUCS-MCS组合梁)。它是一种能充分发挥不同材料的性能、施工方便且整体性能好的新型桥梁结构。为探究其抗剪性能,开展了9根模型梁的试验。分析了接缝数、接缝处剪力键数、剪跨比、UHPC钢纤维体积率、配箍率和纵筋率等参数对试件变形、破坏模式、抗剪承载力的影响;基于试验研究结果,提出了PUCS-MCS组合梁抗剪承载力计算方法。结果表明:PUCS-MCS组合梁均为剪压破坏,所有梁在开裂前的荷载-挠度曲线差异不大,在开裂后刚度不断下降;PUCS-MCS组合梁的抗剪承载力随接缝处剪力键数、UHPC钢纤维掺量、配箍率和纵筋率的增大而增大,随干接缝数量增加和剪跨比的增大而减小,其中影响最显著的是干接缝和剪力键,影响最小的是钢纤维掺量和配箍率,因此PUCS-MCS组合梁可不配箍筋,并可采用较低钢纤维掺量的UHPC。

新型预应力混凝土钢管桁架叠合梁抗剪性能有限元分析

为解决施工现场中现有装配式混凝土叠合梁、梁柱结点钢筋相互影响的问题,设计一种新型预应力混凝土钢管桁架叠合梁。为进一步研究该叠合梁的抗剪性能,共设计6个叠合梁、3个整浇梁进行ABAQUS有限元模拟,分析其破坏特征机理、荷载–跨中挠度曲线等,研究试件剪跨比、底板厚度参数对抗剪性能的影响,以及新型预应力混凝土钢管桁架叠合梁与整浇梁的抗剪性能对比。数值模拟分析结果显示,新型叠合梁与整浇梁均为剪切破坏,在底板厚度相同的情况下,随着剪跨比的增大,叠合梁的极限承载力略微降低。此外,预制高度增加会导致叠合梁的极限承载力减小。叠合梁表现出与整浇梁相似的受剪性能,随着剪跨比增加,叠合梁相对于整浇梁表现出更好的抗剪性能。综合而言,新型预应力混凝土钢管桁架叠合梁具有良好的抗剪性能。

带锚板预应力螺纹钢筋抗拔性能试验研究

目的为了探讨直径25 mm、强度等级PSB1080的带锚板预应力螺纹钢筋在有效锚固长150,200,250 mm的钢筋混凝土厚板或基础中拔出时的锚固性能,方法以有效锚固长度、套管有无、锚板宽度和构造钢筋数量为试验参数,对7个试件进行抗拔性能试验研究。研究试件的破坏特征,分析荷载-位移曲线、极限抗拔承载力、试件开裂荷载和荷载-应变曲线。结果结果表明:试件抗拔承载力随着锚固长度的增加而增加,当有效锚固长度为250 mm时,预应力螺纹钢筋均能达到屈服;混凝土开裂荷载随着有效锚固长度、锚板宽度和套管的增设而增加,构造钢筋数量对面层混凝土开裂荷载的影响并不明显;采用套管试件的面层混凝土开裂荷载比未采用套管试件提高了2.66倍;根据荷载-位移曲线可知,在锚板上增设构造钢筋可以防止带锚板预应力螺纹钢筋拔出时承载力急剧下降;基于试验结果和相关文献结果,对比锚固区混凝土锥体破坏试件的试验值与计算值可知,Nilforoush建议式和日本JSCE规范式9.2.11分别比试验值低19%和10%。结论增设套管可以有效提高开裂荷载;使用日本JSCE规范式9.2.11计算抗拔承载力更接近试验值。

预应力在我国大跨度结构中的应用研究综述

为了提高大跨度结构的正常使用性能,通常在混凝土结构中施加预应力.结果表明,预应力混凝土结构具有更好的使用性、耐久性和大跨度适用性,其中预应力混凝土空心板结构在不显著降低承载力和刚度的前提下明显减小结构自重,预应力型钢混凝土梁(板)结构采用较小的截面尺寸即可满足承载力和刚度的需求.开发城市地下空间是解决城市用地紧张的有效手段,我国地下大跨空间常用的结构形式主要包括密排框架(肋梁)结构、折板或拱形结构、变截面(加腋)板结构、预应力混凝土结构、型钢-混凝土组合结构和Y形柱结构6种形式,相比之下,跨度较大时宜采用预应力结构.

预应力CFRP布加固混凝土梁受弯试验

目的 研究不同加固方法下预应力碳纤维布加固混凝土梁的受弯性能,解决桥梁加固缺陷的问题。方法 制作了5根试验梁,其中一根为对比梁,不做任何加固处理,其余4根分别采用不同的锚固方式、不同的初始张拉力及不同的加固位置进行加固,通过控制变量,进行加载试验,分析其受弯性能的差异。结果 经加固后的试验梁承载能力与刚度明显增加,与对比梁相比,极限荷载分别提升了25%、22.06%、30.78%及36.76%;各试验梁达到屈服荷载时,经加固的试验梁挠度均小于对比梁产生的挠度,且模腔自锁式锚具锚固的试验梁挠度小于穿孔式自锁锚具锚固的试验梁挠度,相同锚固方法下初始张拉力较大的试验梁挠度要小于初始张拉力较小的试验梁挠度。结论 使用预应力碳纤维布加固混凝土梁能够有效提高混凝土梁的抗弯性能,提升效果与加固位置、锚固方式及初始张拉力大小有关。

预应力螺栓连接钢板约束混凝土圆柱轴压性能研究

螺栓连接钢板(BST)约束混凝土圆柱,由于钢板可拆卸及更换,较钢管约束混凝土具有更好的可恢复性。以BST约束混凝土圆柱为研究对象,提出在两片拼装钢板间预留间隙,并拧紧螺栓而对其施加预压应力的方法。以施加的预压应力和径厚比为参数,对6根BST约束混凝土圆柱及1根无约束混凝土圆柱进行轴心受压试验。结果表明,预留间隙并拧紧螺栓的方法能对核心混凝土有效施加预压应力,使钢板在加载前即对核心混凝土形成有效约束。相较于无约束混凝土圆柱,同条件的施加预压应力的BST约束混凝土圆柱峰值应力最大提高74.5%,且残余强度最大能保持在峰值应力的92.3%。相较于未施加预压应力的BST约束混凝土圆柱,施加预压应力的BST约束混凝土圆柱预压应力越大,峰值应力越大,最大可提高18%;径厚比越小,BST约束混凝土圆柱峰值应力越大,但随着预压应力增大,峰值应力提高的幅度降低。

GB/T 13476-2023《先张法预应力混凝土管桩》主要条款解读

新修订的国家标准GB/T 13476—2023《先张法预应力混凝土管桩》已于2024年3月1日实施。为便于该标准的各使用方准确理解标准条款的具体含义,正确贯彻实施标准条款的具体要求和规定,介绍了该标准的修订背景和意义,并对标准的主要条款进行了解读。

预应力CFRP平板式锚具优化设计与应用

针对平板式锚具存在需在混凝土表面开槽、有效行程短、不可重复利用等问题,开展了平板式锚具优化设计与应用研究,提出了一种无须在结构基面设置扣槽,占用空间小、碳纤维增强材料(CFRP)板有效利用长度更长,轻质高强、可重复利用的预应力CFRP平板式锚具。有限元分析表明:在计算荷载作用下,锚具性能满足预应力CFRP加固需要,锚固支座、锚板和锚栓最大应力值分别为133、76、94 MPa,总体应力分布均匀,均小于其屈服强度,最大变形值为0.056、0.024、0.028 mm,保证锚具不先于结构破坏。随着锚栓直径与锚板厚度增大,锚具内部应力与变形均有所改善,其中锚栓直径变化对锚栓与锚板接触部分受力影响较大;锚板厚度对混凝土表面与锚栓接触部分受力影响较大,故建议锚栓直径为18 mm,锚板厚度为20 mm。实际工程应用表明该锚具使用效果良好。

预应力耗能钢框架抗连续倒塌机制研究

针对预应力耗能(PTED)钢框架结构的连续倒塌问题,采用ABAQUS软件建立精细化有限元模型,对框架结构拆除承重构件后不平衡荷载重分配的行为展开研究。并将有限元结果与1/3缩尺PTED钢框架的准静态试验结果进行对比分析,验证了模型的准确性。在此基础上,进一步开展了PTED钢框架抗连续倒塌受力机制的研究,并分析了初始预应力、预应力钢绞线数量、钢构件材料强度和梁翼缘宽厚比四种因素对钢框架抗连续倒塌机制的影响。结果表明:PTED钢框架抗连续倒塌过程主要包括三个阶段:初始阶段、压拱机制有利阶段和压拱机制不利阶段;倒塌抗力由预应力钢绞线拉力和梁柱之间的竖向作用力共同提供;提高初始预应力、预应力钢绞线数量、钢材屈服强度和降低梁翼缘宽厚比,均会使峰值荷载增大;钢绞线数量的增多使框架在失效柱位移较小时可以提供较大的抗力;增强梁柱构件抵抗局部屈曲变形的能力会提升预应力钢框架抗连续倒塌能力。

基于缩尺模型的高铁桥梁预应力损失试验研究

【目的】为更好的评估在役预应力混凝土桥梁结构预应力损失状况。【方法】选用国内高铁中应用最广的32 m预应力混凝土箱梁作为研究对象,按照1:16的缩尺比例将箱梁转化为T形截面制作了26根C50混凝土试验模型梁。通过对试验梁预应力钢绞线应变、伸长量的瞬时和长期监测得到预应力损失的实际值,并将此实际值与目前国内外常用预应力损失规范计算所得值进行对比分析。【结果】预应力损失主要发生在前期即瞬时损失,约占总损失的70%;84.6%的试验梁锚固损失占瞬时损失总和的70%以上,最高达80.57%;试验梁的长期损失在锚固后的前10 d内变化较快,后期逐渐趋于稳定;将5种规范的计算结果与试验实测值进行对比,对于长期损失,数据显示实测数据与《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)计算结果最为吻合。【结论】研究结果可为实际工程中预应力梁的预应力损失计算提供参考。

大跨度钢结构预应力拉索动态监测方法及应用

以河湖治理研究基地项目太湖试验厅工程大跨度空间预应力拉索钢结构为例,采用磁通量索力测试方法对结构索体索力进行了测量及动态监测,指导现场预应力张拉施工,并与预应力拉索有限元模拟索力进行对比分析,复核有限元模拟和实测索力偏差是否在可控范围内,对索力进行安全复核和预应力损失复核。该方法可适用于各种大跨度结构的索力监测。

非线性M-C强度准则下预应力锚索加固边坡时效稳定性分析M-P法

拓展传统极限平衡方法在复杂条件下边坡稳定性分析中的适用性一直是岩土工程界的研究热点。众所周知,边坡岩土体剪切失效一般服从于非线性强度准则,而传统极限平衡方法仅适用于线性强度准则下边坡稳定性分析。此外,预应力锚索作为一种主动防护措施,可极大地即时提高边坡稳定性而被广泛应用于中、大型边坡工程加固。然而,在应力松弛、蠕变效应以及腐蚀环境影响下预应力锚索加固边坡稳定性时效特征往往被忽视。由此,基于Morgenstern-Price(M-P)法,嵌入非线性Mohr-Coulomb(M-C)强度准则,并融入应力松弛与蠕变效应下锚索预应力损失模型以及腐蚀环境下锚索性能劣化模型,从而,建立非线性强度准则下预应力锚索加固边坡安全系数时程表达式。进一步,为了解决非线性强度准则下隐式嵌套公式难以求解的问题,归零化条间法向力初始值,并应用迭代循环求解策略,在引入循环终止允许误差判别条件后,可实现边坡稳定性理论真实结果的逼近求解。经过后续算例对比分析,验证了所提方法的可行性和合理性,与此同时,还研究了不同预应力损失速率和不同锈蚀环境下预应力锚索加固边坡稳定性的时效变化规律。

圆形预应力钢丝缠绕正交预紧机架的缠绕分析计算

在预应力钢丝缠绕正交预紧机架结构的基础上提出了一种全新的机架型式——圆形预应力钢丝缠绕正交预紧机架。对该型机架的缠绕进行理论分析和计算,进而求得缠绕施工张力表,为钢丝缠绕施工提供重要理论依据。该型机架的研发是超重型承载机架结构的重要技术突破。

大跨斜撑钢结构预应力基础施工全过程受力分析

大跨斜撑钢结构被广泛应用于大型遗址保护工程,基于此,对钢结构基础预应力施工全过程进行研究,发现在结构自重和施工荷载的作用下,柱脚会产生较大的水平推力。由于桩基础的水平承载能力有限,在桩帽之间安装预应力基础梁,以平衡上部结构的水平荷载分量。通过数值模拟对工程实例进行施工分析,以确保关键构件的应力和桩顶位移在极限范围内。

风力发电塔基础预应力锚栓T型法兰连接系统计算方法研究

由于锚固区域基础刚度的影响,风力发电塔基础预应力锚栓组件受力不同于塔筒钢管间锻造法兰连接系统。基于Petersen计算方法的原理,推导出适用于预应力锚栓式风力机基础的计算方法,建立包含锚栓组件在内的单区隔和整体有限元模型研究基础约束刚度的空间效应。通过对单区隔和整体有限元计算所得锚栓拉力的对比发现,基础约束刚度的空间效应可忽略不计;通过对整体有限元模型计算结果和工程算法计算结果的对比,验证了工程算法的精度。

局部受热锈蚀预应力混凝土梁力学性能试验研究

随着我国基础建设的发展,大量混凝土桥梁在恶劣环境影响下发生腐蚀和老化,腐蚀桥梁结构的灾害破坏机理研究对桥梁结构的运营安全具有重要意义。为研究已经锈蚀受损的桥梁在局部受热状态下的高温力学性能,设计10根预应力混凝土梁试件。其中对照组的2根试件在常温下加载,试验变量为预应力筋初始应力,试验组的8根试件在高温下加载,试验变量分别为钢筋锈蚀、预应力筋初始应力、初始荷载。首先,基于电化学原理对4根预应力混凝土梁进行钢筋加速锈蚀处理,然后利用复合高温试验炉对8根预应力混凝土梁(4根锈蚀、4根未锈蚀)在跨中进行三面受火试验。最后,采用数值方法对局部受热预应力混凝土梁进行了仿真分析。研究结果表明:局部受热条件下,预应力混凝土梁的承载能力会发生明显降低,下降幅度约为11.3%~14.9%;钢筋锈蚀导致的混凝土开裂会对预应力混凝土梁的抗火性能产生不利影响,主要表现为2个方面,1)相同试验条件下,锈蚀后的试件预应力增量更大;2)锈蚀试件在局部受热条件下承载能力下降幅度更大,约为19.4%~21.9%;增大预应力筋的初始应力可以减小预应力混凝土梁在局部受热时的高温蠕变变形;局部高温作用下预应力混凝土梁对初始荷载较为敏感,当试件初始荷载值提升20%时,三分点位移量约增大60%。研究成果可以为实际锈蚀桥梁的防火设计和灾后应急提供理论依据。

装配式混凝土梁桥预应力摩阻损失研究

装配式预应力混凝土梁桥以其施工效率高、构件质量好等优势应运而生,混凝土构件在工厂可以标准化生产确保质量,而预应力损失却难以把控。现行规范中对于弯曲孔道预应力摩阻损失的计算在接触压力、弯曲夹角等方面存在不适用性。基于弹性接触理论,揭示该公式在推导过程中的缺陷,对某线路装配式混凝土梁桥进行预应力沿程损失试验,验证预应力混凝土梁桥的有效预应力不足来源于计算公式缺陷。

轴力对预应力高强混凝土管桩抗震性能的影响

目的研究轴力和往复荷载作用下预应力高强混凝土管桩的抗震性能,为预应力高强混凝土管桩的设计和实际工程应用提供参考依据。方法应用ABAQUS有限元软件对预应力高强混凝土管桩进行有限元模拟,并与已有试验结果对比,两者吻合良好,验证了模型的准确性。在此基础上,研究轴压比和有无普通钢筋及普通钢筋直径对预应力高强混凝土管桩滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性及耗能能力的影响。结果配置普通钢筋可以提高预应力高强混凝土管桩的承载能力和延性,对刚度影响不大;随着轴压比的增加,预应力高强混凝土管桩的承载能力逐渐提高,但延性变差,轴压比为0.45时,预应力高强混凝土管桩发生脆性破坏。结论配置普通钢筋可以有效改善预应力高强混凝土管桩的抗震性能,预应力高强混凝土管桩的轴压比不宜超过0.3。

预应力UHPC-RC无腹筋组合梁足尺模型抗弯试验及极限弯矩计算研究

为了解预应力UHPC-RC无腹筋组合梁(简称组合梁)的抗弯性能,以2座组合梁桥实际工程为背景,分别制作25 m长工字形组合梁及30 m长箱形组合梁足尺模型进行抗弯试验,研究组合梁在弯曲荷载下的裂缝发展形态、荷载~挠度曲线及不同截面高度应变等。结果表明:2种组合梁最终受弯破坏时,1条主裂缝快速发展为贯穿弯曲裂缝,组合梁裂缝细密;荷载~挠度曲线较为饱满,刚度折减较普通预应力混凝土梁明显推迟,结构性能更为优良;开裂前组合梁截面受力发展满足平截面假定,出现主裂缝后逐渐不满足平截面假定。为考虑组合梁截面在极限状态不满足平截面假定的情形,基于UHPC材料本构关系,提出采用体外预应力筋极限理论推导组合梁极限弯矩计算方法,并将该方法与平截面假定理论计算结果及试验结果进行对比。结果表明:提出的组合梁极限弯矩计算方法较平截面假定理论计算方法能更好地反映结构受力。