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.

基于拉压杆模型的装配式混凝土挡墙结构设计方法

为了研究装配式混凝土箱体挡墙结构在水压力和土压力共同作用下的受力机理,提出了一种基于拉压杆模型的装配式混凝土挡墙结构设计方法.以体积和应变能为优化目标,采用Tosca软件对数值模拟得到的主要受力骨架进行拓扑优化.构建拉压杆模型,结合箱体挡墙结构的破坏机理,分析并推导出侧墙受压、临水面挡墙和集束连接受拉3种主要破坏模式的承载力公式.实际工程对比分析结果表明:进行900次模型优化后,优化形态和应变能基本保持不变;基于拉压杆模型的装配式混凝土箱体挡墙结构的承载能力低于规范值和有限元模拟值,但误差均保持在16%范围内,从而验证了该方法的合理性.

边柱加强型预应力混凝土框架结构振动台试验研究

国内的既有预应力混凝土框架结构(简称PC框架)大都是基于《混凝土结构设计规范(GBJ 10-89)》(简称89规范)进行设计,研究表明,其耗能机制为层间屈服机制。为了提高结构的抗震能力,对基于89规范设计的三层两跨空间PC框架进行了边柱加强,并完成了1∶7.2缩尺模型振动台试验。试验表明:加强的边柱在地震作用下的破坏推迟,结构损伤在各楼层分布均匀,模型能够形成梁端和柱端出铰的混合出铰机制,结构整体抗震能力大大提高。此外,脉冲型近场地震动Chi-Chi波对结构的位移响应影响更大,而El Centro波则更容易激发模型的高阶振型。

超长预应力混凝土结构后浇带设计新方法

探讨超长预应力混凝土结构预应力后浇带常用设计方法,指出其不足之处。对允许出现限值裂缝的超长预应力混凝土结构提出非预应力后浇带设计方法,并通过理论分析和算例验证了此法的可行性。

带填充墙自复位预应力混凝土框架结构的抗震性能分析

自复位预应力混凝土(SCPC)框架结构中布置填充墙可以有效提高结构刚度和耗能能力。从我国规范中选取4种强度不同的填充墙分别布置于一SCPC框架结构中,利用OpenSees分析软件分别建立其有限元模型。首先对SCPC框架和4个带填充墙自复位预应力混凝土(SCPC-IW)框架有限元模型进行低周往复循环加载分析和静力推覆分析,进而选取15条地震动记录调至罕遇地震水平分别输入5个有限元模型进行动力分析,以研究填充墙对SCPC框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:布置填充墙可以明显提高结构的初始刚度、耗能能力以及减小结构动力响应,但同时也提高了震后结构的残余变形。随着填充墙材料强度的提高,结构震后残余变形的增加幅度远高于其动力响应的降低幅度。对SCPC框架结构布置强度为混凝土强度15%~24%的填充填可以有效提高结构刚度和耗能能力,降低结构的动力响应,同时又能够保证结构残余层间位移角在罕遇地震水平下不超过可修状态限值0.4%。

预应力混凝土自复位墙结构的抗震设计与分析

分析研究预应力混凝土自复位墙结构的抗震设计,提出自复位墙抗震设计的4个关键设计步骤,包括墙体设计弯矩需求计算、预应力筋及阻尼器面积设计、预应力筋校核及墙体剪力校核.以1栋6层框架预应力混凝土自复位墙为算例,开展框架-自复位墙结构的拟静力分析,结果表明框架-自复位墙结构在1%的侧移角时体系残余侧移角仅为0.2%;而顶部侧移角达到2%时残余侧移角不到0.5%.

面向基坑工程的预应力混凝土管桩改进型结构(节点)研究

文章通过分析预应力混凝土管桩在基坑支护工程应用中的特点,对其进行改进研究,提出了基坑-结构一体化的支护体系,并详细介绍了关键结构(节点)的设计。

腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点的试验研究

提出了一种腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点形式,并通过14个低周反复加载试验,对节点在循环荷载下的力学行为以及耗能特性进行研究,分析钢绞线预应力、螺杆预应力、梁端钢套、螺旋箍筋等参数对于节点性能的影响。试验结果表明,腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点具有震后自动复位、主体结构基本无损、耗能机制明确等优点。梁端的钢套避免了混凝土梁柱在相对转动时的局部受压破坏,而位于梁端腹板的摩擦装置则提供了良好的耗能能力。随着初始预应力的加大,节点的初始刚度、临界张开弯矩加大并具有更强的自定心能力;节点的耗能效果主要受摩擦力的大小控制,预应力螺杆的正应力越大,耗能效果越明显。为保证槽钢的传力和摩擦耗能效果,须加强柱预埋钢板在框架柱中的锚固。

移动荷载下考虑钢筋作用的混凝土裂缝梁动力响应分析

由于钢筋的约束作用,混凝土梁裂缝截面的局部柔度与无筋时不同。建立了移动荷载作用下考虑钢筋影响的混凝土裂缝梁动力方程,基于力平衡和钢筋与混凝土变形协调对裂缝截面的局部柔度进行修正,采用无质量弹簧模拟裂缝,得到计入钢筋作用的裂缝梁自振特性,通过Newmark方法求解控制方程获取钢筋混凝土梁的动力响应。以受移动车辆荷载的简支梁为例,分析不同荷载速度、裂缝深度、裂缝位置、配筋率等条件下的钢筋混凝土裂缝梁响应。研究结果表明,裂缝处钢筋的约束作用可以显著地影响梁的动力响应,计入钢筋提供的刚度后裂缝梁的位移响应总体减小,且随着开裂损伤程度的增加钢筋的影响呈现变大的趋势。移动荷载下裂缝梁的共振现象较无损梁更为不利,考虑钢筋作用后裂缝梁的共振速度有所提高,共振响应则有一定程度的降低。由于钢筋混凝土裂缝梁和无损梁的共振速度存在差异,在某些荷载速度下无损梁的位移响应大于裂缝梁。

预制预应力混凝土装配整体式框架抗震性能研究

在介绍一种预制预应力混凝土装配整体式框架结构体系的基本形式及其结构特点的基础上,通过对三个不同键槽长度的预制混凝土框架中节点的低周反复荷载试验研究,并利用面向对象的开放式计算程序OpenS-ees对一榀两跨三层框架结构进行静力弹塑性分析,研究了这种框架结构体系的抗震性能。试验和理论分析结果表明:框架中节点的滞回曲线丰满,节点耗能能力较强;框架结构的梁铰耗能机制提高了结构整体的耗能能力;经过合理设计的预制框架结构体系具有良好的抗震能力,完全能够满足抗震设防的要求。

预应力高强钢丝绳抗弯加固钢筋混凝土梁的理论分析

预应力高强钢丝绳加固是一种新型高效加固方法(简称P-SWR加固技术)。首先对试验用钢丝绳抗拉强度、拉伸极限应变和松弛等力学性能进行试验研究;然后给出预应力高强钢丝绳加固后混凝土梁开裂荷载、最大承载力计算方法;结合预应力高强钢丝绳加固混凝土梁的荷载-挠度关系曲线,分析了预应力度、配筋率、钢丝绳与混凝土黏结性能等各种参数对P-SWR加固梁截面短期刚度的影响,提出了相应的计算公式;基于高强钢丝绳抗弯加固对混凝土梁裂缝平均间距和钢筋应力影响的分析,建议了计算P-SWR加固后混凝土梁最大裂缝宽度的修正规范方法、名义拉应力方法和实用简化方法。建议的各计算方法简单,与相应试验值的比较表明具有较高的精度,可用于P-SWR抗弯加固混凝土结构的理论分析和简化设计。

大跨径预应力混凝土箱梁桥设计中的几个问题

预应力混凝土箱梁桥以其良好的结构性能和简洁优美的外形,在世界各地得到了广泛应用。但近年来,一些大跨径预应力混凝土箱梁桥在运营一段时间后,普遍出现箱梁腹板开裂和跨中下挠等病害,这些病害影响了桥梁结构的使用性能和耐久性,而导致这些病害的原因还没有完全明确。针对这些病害,从箱梁纵向预应力设计、竖向预应力设计、竖向预应力损失、结构构造设计、箍筋配置、混凝土材料特性等方面对箱梁进行了研究分析,得出了一些具有实用价值的结论。重点比较了两种纵向预应力配束方案,结果表明,设置下弯束是抵抗腹板主拉应力过大的有效方式。对导致箱梁结构长期下挠的主要成因在机理上进行了解释,剪切变形与斜裂缝发展对薄壁箱梁的长期变形影响不可忽视,并对开展控制跨中长期下挠等方面的研究提出了建议。

预应力混凝土T梁桥端部锚固区拉压杆模型及配筋设计

根据有限元应力分析结果,抽象出力流传递路径,提出了T梁端部锚固区拉压杆模型的构形方法.通过对劈裂应力的数值积分,计算合力作用点位置,并将其作为拉杆位置确定的依据.分析表明,由于T梁端部锚固力的合力对截面形心的偏心距不大,劈裂应力合力作用点至锚固端的距离与梁高的比值,基本不受锚下预加力大小、梁高以及翼板宽度变化的影响,大小稳定在0.67~0.69之内.最后,应用该构形方法,得到了跨度为20~50m的T梁端部锚固区拉压杆模型,将由拉压杆模型计算出的劈裂力大小与精细化有限元分析结果进行了比较,其比值分布在1.16~1.34范围之内,由此可见,由拉压杆模型给出的劈裂力计算值与有限元分析结果之间相差不大,且偏于安全.

基于现行规范的型钢混凝土柱侧力-位移曲线预测方法研究

型钢混凝土(steel reinforced concrete,SRC)柱因承载力高、刚度大和耐久性能好等优点而被广泛应用于高层结构中。然而,现阶段SRC结构设计普遍基于承载力设计法,基于性能的抗震设计法在SRC结构方面的应用仍待完善。作为基于性能(位移)的抗震设计方法中最重要的一环,现阶段SRC构件的侧力-位移关系评估缺乏规范指导。基于美国现行规范ASCE/SEI 41-17中针对钢筋混凝土构件的相关规定,结合SRC构件的受力与变形特征,提出了发生弯曲破坏的SRC柱在地震作用下的侧力-位移曲线建模方法。该曲线采用约束混凝土强度计算SRC构件的峰值承载力;使用刚度折减法考虑型钢与混凝土之间的黏结滑移;基于SRC构件的变形特征考虑了纵向受力钢材端部滑移对柱顶侧移的贡献。最后,通过与28根SRC柱试验结果的比较证明了曲线的适用性。计算结果表明:所提出的曲线能合理预测发生弯曲破坏的SRC柱的开裂荷载、开裂位移、峰值荷载、峰值位移和强度退化,可为SRC结构的性能化抗震设计提供参考。

预应力高强钢丝绳抗弯加固钢筋混凝土梁的试验研究

提出一种预应力高强钢丝绳抗弯加固混凝土结构的新方法(简称P-SWR加固技术)。介绍这种新技术的提出思想及实现工艺,对预应力高强钢丝绳抗弯加固混凝土梁进行试验研究,重点讨论直接加载、先损伤后加载、钢丝绳层数、钢丝绳与混凝土黏结性能、锚固方式等参数对加固性能的影响,并与粘贴CFRP和钢板加固混凝土梁性能作了比较。试验结果表明,预应力高强钢丝绳加固能同时显著提高混凝土梁的开裂荷载、截面刚度、屈服荷载、最大承载力,加固后的梁发生钢筋屈服、受压区混凝土压坏、钢丝绳断裂的延性破坏,能有效限制混凝土裂缝宽度,钢丝绳能达到极限拉伸应变而充分发挥作用。P-SWR加固技术可较好地解决现有加固方法中的诸多缺点,是一种高效主动式的加固技术。另外,该技术还具有易施工、耐火、耐老化、成本低等优点,值得在实际工程中大力推广应用。

腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点的理论分析

为减少钢筋混凝土框架在地震作用下的残余变形和损伤,提出一种新型的腹板摩擦式自定心预应力混凝土梁柱节点。其中,预制的钢筋混凝土梁柱通过无黏结预应力钢绞线进行拼接。当梁端弯矩超过节点的临界张开弯矩,梁柱接触面张开;震后,接触面在预应力的作用下重新闭合。梁柱的接触部位分别预埋钢套和钢板,以避免梁柱相对转动时混凝土的压碎。在梁端钢套的腹板处设置摩擦耗能件,从而可以在梁柱相对转动时耗散地震能。介绍腹板摩擦式自定心预应力混凝土梁柱节点的基本构造和受力特点,对梁端轴力、剪力、弯矩以及梁柱接触面张开后转动刚度的表达式进行推导,建立起梁端弯矩-相对转角关系的理论分析模型,并得到节点耗能系数和等效黏滞阻尼比的计算公式。理论分析结果与试验值吻合较好,为腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架的设计提供了依据和参考。

后张无粘结预应力装配混凝土联肢抗震墙的连梁组合体抗侧性能

提出一种新型后张无粘结预应力装配联肢抗震墙体系,并研究了其中的连梁组合体在侧向荷载下的性能.建立连梁组合体梁端弯矩同轴线转角的分析模型,并运用DRA IN-2DX及ABAQUS等非线性有限元软件进行了验证.分析结果表明,连梁组合体在经历较大的反复非线性变形后,除了预制混凝土连梁的保护层会出现脱落外,几乎没有损伤且具有自恢复能力,即最终的残余变形很小.通过针对连梁特性、预应力度等设计参数的分析,给出了实现连梁组合体高延性低超强的设计建议.通过合理的选择参数,新型预应力装配抗震墙的连梁组合体可以获得良好的抗侧能力.

基于改进拉-压杆模型的预应力混凝土深受弯构件受剪承载力预测

以集中荷载下有粘结预应力混凝土简支深受弯构件为对象,建立了显式考虑有效预压力Fpe的改进拉-压杆模型,依据Kupfer-Gerstle双向拉压应力关系考虑了混凝土软化效应并推导了受剪承载力公式.该式也可用于分析无粘结预应力及钢筋混凝土构件.3种主要破坏模式压杆劈裂破坏、压杆或结点区压溃和拉杆屈服在公式中得到了体现.通过对4根和已有文献中39根试验梁的分析,得到试验值与预测结果的平均比值为1.15,变异系数为0.120,表明该公式预测结果精确、连续且偏于安全.

预应力筋应力腐蚀后预应力混凝土梁受力性能研究

为研究预应力筋应力腐蚀对预应力混凝土梁承载力和耐久性的影响,设计制作了7根用人工坑蚀模拟预应力筋受应力腐蚀的预应力混凝土梁,进行静力受力性能试验。试验结果表明:预应力筋坑蚀后的预应力混凝土梁的开裂荷载、极限荷载低于普通预应力混凝土梁,并随坑蚀深度的增大而下降;增大预应力度可提高应力腐蚀预应力筋混凝土梁的开裂荷载;增大非预应力钢筋的配筋率可提高预应力混凝土梁的开裂荷载、极限荷载;随着坑蚀的增大,构件抗弯刚度迅速下降;提高预应力度可减缓构件抗弯刚度的下降,而增大非预应力钢筋的配筋率对抗弯刚度的影响则较小。根据该文预应力筋坑蚀后的预应力混凝土梁极限承载力计算公式得到的理论值与实测值相吻合,可供工程实践参考。

预应力矩形钢管混凝土梁的承载力探讨

针对钢管混凝土构件无明显的抗弯优势,而预应力能使预应力钢筋的高强抗拉性能得到发挥和使钢管混凝土构件具有良好抗压性能,分析了预应力对矩形钢管混凝土梁的影响,探讨了预应力矩形钢管混凝土梁的承载力特性,在受力机理分析基础上推导了其抗弯、抗剪承载力的计算公式。并且,运用大型通用有限元程序ANSYS对计算公式进行了校核,两者基本吻合,所推公式可以为工程实践提供设计参考。