无粘结预应力混凝土开洞板实验研究.pdf

第 0 1 期( 总第 3 4 4期 ) 吉 林水利 2 0 1 1年 O 1 月 【 文章编号】1 0 0 9 - 2 8 4 6( z m 1 )O 1 - o o 2 1 o 4 无粘结预应力混凝土开洞板实验研究 崔燕伟 ，满嫒 ( 河 南城 建 学 院土木 工程 系，河 南 平顶 山4 6 7 0 3 6 ) 摘要 通过无粘结预应力混凝土开洞板在均布荷栽作 用下加 栽直至破坏 的全过程 实验 ，根据试 验结果进行研 究 并与 A n s y s 分析结果对比 ，揭示 了开洞对无粘结顸应 力混凝板 承栽能力 的影 响规律 ，对工程设计和施 工提 供 经验和参考。 关键词无粘 结；预应力 ；开洞板 ；应 力集中；A N S Y S 中图分类号rI v 5 4 4 文献标识 码B 在 现代高层建筑 中，预应力楼板 因其在能提 供大空间、降低结构层厚度 、减轻结构 自重 、降 低 结 构 造价 等方 面具 有 明显 优 势 ，正 逐 渐 被 广泛 使 用 。 而无 粘结 预应 力 混凝 土 技术 由于 其 具有 无 需预留孔道、无需灌浆等优点， 还因为其具有更换 预应 力 筋 的可 能性 以及预 应力 筋 可 以单 独 防腐 的 特 点 ， 已近被 广 泛地 被 应 用 在现 代 混 凝 土 结构 中 。 在高层建筑中，各种设备管道的使用 ，使得预应 力楼板开洞的情况增多 ，如何合理 的对无粘结预 应 力开 洞 板进 行设 计 和施 工 已 经引 起 建筑 行 业 的 关 注 。 本 文在 结合 国 内外 研 究情 况 的基 础上 ，主要 以无粘结预应力混凝土开洞板为研究对象 。围绕 其承载能力展开试验工作和理论研究 。通过对实 验 结果 的分 析 ，对开 洞 板 的破 坏模 式 、应力 变 化 等 作 出 准确 描述 和合 理 解 释 ，分 析 了影 响 预应 力 开 洞 板 承 载 能 力 的 各 种 因 素 ，提 出 了实 验 结 论 ， 对 无 粘结 预应 力 开洞 板 的工 程 实践 也 提 出 了一 些 合理 的建 议 。 2 实验简介 本次实验共设计 了四块无粘结预应力混凝 土 板 ，见 表 1 。 实验设计为跨度 2 m的板 用 刚度较大 的钢 【 收稿 日期】2 0 1 0 - 1 1 _ o 8 【 作者简介 崔燕伟 ，讲 师，硕 士研 究生学历。 表 1 实验 板 类 型 及 数 量 2 5 0 i 2 0 0 。 2 5 0 图 1试 验 板 预 应 力筋 布 置 图 筋混凝土梁支撑 ，采用 C 4 0混凝土 ；板厚 8 0 ra m， 板 中非 预应 力 筋 采用 q b 6 2 0 0 ，预 应 力筋 采用 P 5 2 0 0 ，预 应力 筋 采用 直 线布 筋( 图 1 ) ，置于 非 预 应 力筋 下部 ，张 拉 端 与锚 固端 埋 设 0 m m 厚 钢 板 ，锚 具采 用 墩头 锚 具( 图 2 ) ；板开 洞位 置 分 别设 在 板 中部 ，板 边 ，角 部 ，洞 口 0 4 x O 4 m，洞 边设 置 2 1 O加 强筋 。实 验 张拉 取 初 始 张拉 力 ， 有 效 预应 力平 均 为 0 9 2 x 1 0 3 Mp a 。采 用 一 端 张 拉 按照从 中间至两边的张拉顺序 。预应力筋张拉到 张拉 控 制应 力 的 5 0 时 ，换 另 一 根 钢丝 张 拉 。整 块板的预应力筋张拉到 5 0 的控制应力后 再按 原顺序逐根钢筋张拉至张拉控制应力。 实 验 整个 板 面用 砖 块 堆 载 。均 匀 对 称 位置 分 别 布 置两 个 分 配 梁和 千 斤 顶 ：对 荷 载 进 行 二次 分 配 ，分配 梁 下 垫有 铁 墩 子 、铁 板 和厚 木 板 ，板 面 以上所有外加荷载总重约 3 9 k N ( 折算后为 ：千 一 21一 吉林水利 无粘结预应力混凝土开洞板实验研究 崔燕伟等 2 0 1 1 年 0 1月 图 2实 验 板 张 拉 端 斤 顶 加 载 前 板 面加 荷 约 为 1 0 k N m ) ；对 两 个 千 斤顶 同时加载 ，分级加载 ，每级加载 1 O k N，每 次加 载间隔 1 O分钟 ，直至实验板 破坏为止( 图 3 ) 。 图 3实验加载照片 3实验结果分析 为 了尽 可能 的将 板破坏 ，荷 载最 终均加 至 l O O k N m 左 右 。实 验 对 板 的 板 顶( 板 底 )应 力 、 板 中非 预 应 力筋 的应 力 、预 应 力 筋 的 应 力增 量 、 板的裂缝和挠度等方面进行 了研究 ，对实验现象 进行分 析 ，对 比理论 计算 ，提 出了些有 益 的结 论 。 由表 2可 见 ，开洞 板 先 开裂 ，未 开 洞 B l板 后 开 裂 ，开 中 洞 B 2板 开 裂 情 况 较 严 重 ，在 7 O 一 8 0 k N m 左 右 ，B 2板 裂缝 先 达 到 0 3 m m 以上 ；由 图 4可 见 ，板底 中部 与 四角 裂缝 较 集 中 ，开 中洞 板 洞 口边裂 缝较 多 。 实 验应 力 从 张 拉后 开始 测 定 。 由 图 5 ( 开 洞 板 测 点均 选 自洞 边 和洞 角 ，未 开 洞 板 选 取 的测 点 对 应 开 中洞板 相 应位 置 )可知 ，加 荷 初 始 阶段 板 顶 应 力变 化 缓 慢 ，加 荷 至 4 0 k N m 后 板 顶 应 力 才 显著 变 化 ；开 洞板 应 力变 化 幅 度 较 大 。开 中洞 板 B 2应力 增 长最 大 其 洞 角应 力 比开 角洞 板 B 3 高出了 9 8 2 ：开中洞板 B 2洞角应力较洞边应力 显著 ，比其高 出 了 5 1 5 ；开角 洞 板 B 3洞 角应 力 比开边洞板 B 4变化显著 ，比其高出了 2 0 7 ；开 洞 板 的最 大 应 力 均 出 现 在 洞 口 四角 ，并 沿 4 5 o 方 向向板角 延伸 。 表 2 荷 载 与 板 出 现裂 缝 情 况 列 表 由图 6可 知 ，各 板 板底 非 预 应力 筋 应 力 增 长 幅度均较显著 ，从实验结果来看 ，大部分非预应 力 钢筋 的应 力 增长量 都 很 大 ，可 以说 非 预 应 力 钢 筋在板 的抗弯过程 中基本 上都发挥 了极 大 的作 用 ，提高了板的延性 ，与预应力筋一起很好地加 强了板的抗弯能力。 由图 7可知 ，总的来说 ，实验加载过 程 中， 大部分预应力筋的应力变化 ，即应力增量不是很 大 。基本上都是在受荷约 5 0 6 0 k N m 2 以后 才有 显著变化 ，大于前述受荷值 ，说明预应力筋发生 较大作用要 比非预应力筋稍晚一些 ，然后才与非 预应 力 筋一 起 承受外 荷 载 ，但 在 最终 直 至构 件产 生较大裂缝后 ，大部分预应力筋的变化幅度 和应 变变化值与非预应力筋相 比还是 比较小的 ，未达 到 极 限强 度 。说 明预 应力 筋 虽然 有 能 延缓 混 凝 土 一 2 2一 裂 缝 产 生 的作 用 ，但 由于 混 凝 土抗 拉 强 度 较 低 ， 容 易先 开裂 所 以预 应力 筋 的作 用还 是 不 能 完 全 发挥 出来 ，受到一定限制 ，但从前面的分析中可 知 ，预应力筋还是起到了延缓裂缝出现 、提高混 凝土构件延性的作用 ，使混凝土构件能承受更大 的荷 载 。 由图 8可知 加强筋测点应变变化 幅度 比较 显著 ：开 中洞板 B 2的加强筋应 力普遍 高于其余 开洞板 说 明洞 12 I 位于板 中部时应力集 中现象 比 较显著 ；各开洞板角部应力要大于洞边应力 ，总 体上看 。各测点应变变化情况较复杂 ，说 明了开 洞板应力集 中现象较显著 ，对板 的整体性能影响 较大。 开角洞板 B 4的挠度普遍高于其余开洞板 f 图 9 ) ，可知角部开洞对板变形影响最大。 吉林水利 无粘结预应力混凝土开洞板实验研究 崔燕伟等 2 0 1 1年 0 1月 一 一 一 一 5 0 0 0 5 髫一 10 0 0 一 I 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 图 4 板底 裂缝照片 2 00 0 1 80 0 1 60 0 1 40 0 6 00 4 00 2 0 0 0 祷载( 1 O O k N l m 2 ) 图 5板 顶 荷 载一 应 变 图 。 ： 8 8霉8 8 2昌昌墨 荷载 ( 1 ) 围 6板 底 非预 应 力 筋荷 载 一 应 变 图 。 o o 譬 品 昌导 品 8 2 窝昌 莹 荷载 ( k N ) 图 7 预应 力筋荷载一 应变图 4有 限元分析 有限元对预应力钢筋混凝土采用分离式的分 析方法。将混凝土和预应力筋 的作用( 对整体的 影 响)分别考虑 ，以载荷的形式取代预应力筋 的 1 6 。 0 l 0 1 2 0 0 l o 0 0 髫80 0 6 0 0 4 。 0 0 0 髓 端 。 誉 蓦 品 品导 曷 8 足 品 昌 墨 荷载 ( k N 屉) 图 8洞 口加强 筋荷载一 应变图 l Z 4 5 6 ，8 1 0 I I lZ 1 3 1 4 荷载( k N m2 ) 图 9荷 载 一 挠 度 图 作用 。采用等效荷载法 。此法 可不必考虑 预应力 筋 的位 置 而 直接 建 模 ，网格划 分简 单 ，预应 力 对 结构 的整 体效 应 能较 为 清楚 地显 现 。 模 型 采 用 S o l i d 6 5单 元 建 立 钢筋 混凝 土模 型 预应力的影 响采用等效荷载 ，用载荷 的形式取代 预 应 力 筋 的作 用 。实 验 板 由于 较 薄 ，对 预 应 力筋 采 用 了 直线 布 筋 方 式 ，预 应 力 筋 布置 在 非 预应 力 筋 的下侧 。等效荷 载如图 1 O所示 。施加 的 1 0 0 k N ， m 竖 向荷 载 ，设 置 合 理 的加 载 子 步 与 收 敛 精 度 。 A N S Y S计 算 的极 限应 力 与实 验结 果 接 近 ，仅 比其 小 9 左 右 ；模 拟 实 验 板 开裂 状 态 也 与 实验 结 果 相 近 ，板 中部 及 四角 开裂 较 明显 见 图 1 1 一 I 4 ，可见 A N S Y S分析 有 较高 的准 确性 。 5 结论及建议 1 )无 粘结预应 力板开洞 ，若洞 口较 小( 8 0 0 ram)可在洞边设置加强筋或加暗梁 ，嚣开洞 较 大 ，洞 口四周 也 应设 置预 应 力 钢筋 ，锚 固在洞 边 ，并 可 比未 开 洞 区域 的预 应 力 钢 筋 适 当加 强 ； 广 一 。 七 三 _二 -二 _二 -二 _二 三 _二 三 三 三 三 ： ， _ - - - - - - 一 I 图 1 O直线预应 力筋的等效荷载 一 23一 荔 一 P 。 - 。 L 。 L L L r 一 一 一 一 一 一 一 ，l 吉林水利 无粘结预应力混凝土开洞板实验研究 崔燕伟等 2 0 1 1 年 O 1月 图 1 1 B 1 积分点开裂状态分 析图 图 l 3 B 3积 分 点开 裂状 态 分 析 图 因洞 角 部位 较易 破 坏 ，对 洞角 也 应采 取 必要 的加 强措施 ，可 配置 斜 向角 筋 。无 粘 结预 应 力板 开 洞 后 ，由于开 洞对 板抗 弯 强度 和 薄膜 力 的 削弱 ，使 得 开 洞板 都较 早 的被 破 坏 ：开 洞板 洞 口应 力 集 中 的现 象 比较 显著 ，在外 荷 载达 到 一定 程 度后 ，洞 口附近 的应力 增 长都 比较显 著 ，所 以对 开洞 板必 须 要 在 洞 口周 围采 取加 强措 施 ，必 要 时也 可 在洞 口粘贴钢板或碳纤维布。 2 )对 无 粘 结 预 应 力 板 应 采用 混 合 配 筋 ，即 既有 预应 力筋 、又有 非 预应 力 筋 的部 分 预应 力混 凝 土结 构 。非 预 应力 筋 的作 用 是很 大 的 ，实验 板 中的大部分非预应力板底纵筋应力最终几乎都达 到了屈服强度 ，很多甚至达到极限强度 ，在预应 力结构 中配置少量的非预应力筋就能有效地提高 构件的强度 。延缓开裂和提高延性。 3 )对 无粘 结 预应 力 板应 合 理设 置 预应 力 筋 。 实验板 中的大部分预应力筋 。在实验中应力变化 缓慢 ，即使到最终板裂缝发展过大、构件破坏时 也基本上都未达到预应力筋的极 限强度 ，表明即 使板破坏 。大部分预应力筋还满足强度安全 ；预 应力筋提供 的对混凝土的预压力 ，很好 的起到 了 限制裂缝产生 ，减小裂缝宽度的作用 ；洞 口附近 的 预应 力筋 应 力 增长 很大 ，部分 最终 达到 了极 限 强度 。说 明预 应力 筋对 洞 口的加 强作 用 也 是 比较 显著的 ，建议若有洞 口周围受力过大且不宜加梁 的情况 ，可考虑在洞 口附近布置预应力筋作为加 强筋 。 一 2 4一 图 1 2 B 2积分点开裂状态分析 围 图 1 4 t 3 4积 分 点开 裂状 态 分 析 图 4 )对 无粘 结 预 应 力板 要 合 理设 置 预应 力度 。 一 般 而言 ，施加 了预应力筋的混凝土板 ，尤其是 无 粘 结 预 应 力 板 的 延 性 都 会 有 一 定 程 度 的降 低 但是 如果 在板 中配 置 比例 恰 当 的预 应 力 筋 与非 预 应力 筋 ，也 可在 一 定程 度 上 提 高板 的延 性 。本 实 验从 板 开 始开 裂 到 实验 最 终 撤 掉外 荷 载 。即使 裂 缝 逐 渐 增 大 ，板 一直 未 发 生严 重 脆 性 破 坏 ，说 明 板 的延性 是 良好 的。 5 )无 粘结 预 应 力板 应 尽 量 避免 在 中部 开洞 ， 尽 量 开 在板 的侧 边 中部 或 角部 。 由实 验 可 知 ，开 中 洞 板 无 论是 整 体 ，还 是 洞 口附 近 的 破 坏 程 度 ， 均较其他板严重。如条件允许 ，在洞边加梁( 包 括 暗 梁 ) 。应 能对 无 粘 结 预应 力 楼 板 开 洞 起 到很 好 的 补强作 用 。口 参 考文献 ： 【 1 】 无粘结预应 力混凝 土结构技 术规程( J G J 9 2 - 2 0 0 4 )中国建 筑 工 业 出版 社 2 o 0 5 2 】 陶学康 后 张预应力 混凝土设计手 册中国建筑工 业 出版社 ， 1 99 6 【 3 混凝土 结构设 计规 范 ( G B 5 0 o 1 O 一 2 0 0 2 )中国建筑工业 出版 社 2 o 0 2 。 4 1 房 贞政 无粘结与部分预应力结构 人民交通出版 社，1 9 9 9 【 5 】 第十界后 张预应 力学术交流会论 文集 乌鲁木齐 ，2 0 0 8 【 6 第五界 全国预应力 结构 理论及工程 应用 学术会议 论文集 建 筑技 术开发 2 o o 8年增 刊 昆明，2 o o 8 【 7 】 陈惠玲 部分预应 力结构设 计的应 力比 “ 预应 力度 法” ( 建 筑结构)1 9 9 3年 第一期 8 第九界后张预应力 学术 交流会论文集 上海2 0 0 6 9 】 房 贞政 颈应力结构理论与应用 中国建筑工业 出版社 ，2 0 0 5