无粘结部分预应力梁受力性能实验及有限元研究_图文.doc
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1、分类号: 密级: U D C: 编号: 硕士学位论文配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力梁受力性能试验研究 Dissertation Submitted toHebei University of Technologyfor The Master Degree ofCivil engineering construction technology and managementStudy on stress behavior of unbonded partially prestressed beams with 600MPa steel barsbySupervisor: November
2、2015 创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容,也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名: 日期:2015年12月14日关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定:学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务;学校有权将学位论文
3、的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流;学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 日期:2015年12月14日导师签名: 日期:2015年12月14日摘 要600MPa钢筋是一种新型高强钢筋,具有良好的力学性能,在同样的受弯承载力要求下,使用600MPa钢筋可减少钢筋的用量,具有良好的经济效益和社会效益。将高强钢筋加入到普通混凝土梁中,可能会有构件裂缝过宽,挠度过大的问题,而无粘结部分预应力结构可以有效延缓裂缝的出现,减小结构在正常使用状态下的挠度,因此有必要对600MPa钢筋在该结构中的应用进行研究。本文对5根无
4、粘结部分预应力混凝土梁进行试验,研究非预应力筋配筋率及混凝土强度对试验梁受力性能的影响,对试验梁的预应力损失、正截面抗裂性能、正截面受弯承载力、裂缝、挠度、极限应力增量进行了分析。通过ANSYS有限元软件对试验梁进行非线性分析,并使其计算结果与试验结果进行验证。研究结果表明:增大非预应力筋配筋率会使试验梁的抗裂性能及极限应力增量降低,使试验梁的抗弯性能提高;提高混凝土强度可提高试验梁的抗裂性能、抗弯性能及极限应力增量;配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的预应力损失、开裂弯矩、极限抗弯承载力、裂缝间距、最大裂缝宽度、开裂前刚度仍可用混凝土结构设计规范(GB50010-2010)中给定
5、的公式进行计算;ANSYS有限元对试验梁开裂荷载和极限荷载的模拟较为准确,而且可有效模拟试验梁在三分点荷载作用下的挠度及预应力筋应力的变化情况。关键词: 600MPa钢筋;无粘结部分预应力;抗弯承载力;极限应力增量;非线性分析ABSTRACT600MPa steel bar, which is a new type of high strength steel bar, has good mechanical properties. Under the same situation of bending capability, steel bars dosage can be reduced
6、by using 600MPa steel bar, which has good economical and social benefits. Adding high strength steel bar into ordinary concrete beam may lead to the component crack too wide and excessive deflection. Unbonded partially prestressed structure can postpone the crack appear and reduce the deflection of
7、structure. Therefore, it is necessary to study the application of 600MPa steel bar in this structure. In this paper, five unbonded partially prestressed concrete beams are tested to study the the influence of non-prestressed reinforcement ratio and strength of concrete on mechanical properties of te
8、sted beam. This thesis analyzes the prestressed loss, ultimate stress increment cross-sectioanl crack resistance, normal section bending bearing capacity, crack, deflection, and ultimate stress increment of tested beam. It also uses ANSYS finite element software to make the nonlinear analysis of tes
9、ted beam, and then uses calculate results to verify the test results.The results show that increasing the non-prestressed reinforcement ratio can reduce the crack resistance and ultimate stress increment of tested beam, and improve its bending property; Increasing the strength of concrete can improv
10、e the crack resistance, bending property and ultimate stress increment of tested beam; The prestressed loss, cracking moment, ultimate flexural strength, crack spacing, maximum crack width and stiffness before cracking of unbonded partial prestressed concrete beams with 600MPa steel bar can be calcu
11、lated by the formula in GB50010-2010; ANSYS finite element method can simulate cracking load and ultimate load of tested beam accurately. It also can effectively simulate the deflection and the stress of presstressed steels changing situation of tested beam, which under the action of three points lo
12、ad. KEYWORDS:600MPa steel bars; unbonded partially prestressed; unbonded partially prestressed; ultimate stress increment; nonlinear analysis.目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 600MPa钢筋的特点及高强钢筋的研究现状2 1.2.1 600MPa钢筋的特点2 1.2.2 高强钢筋的国内外研究现状21.3 无粘结部分预应力结构特点及国内外研究现状4 1.3.1 无粘结部分预应力结构特点4 1.3.2 无粘结部分预应力结构国内外研究现
13、状51.4 课题的主要研究内容6第二章 无粘结部分预应力梁的设计制作及材料性能试验92.1 试验梁的设计92.2 试验梁的施工制作及预应力筋的张拉10 2.2.1 试验梁的施工制作10 2.2.2 预应力筋的张拉112.3 试验梁材料力学性能试验11 2.3.1 钢筋材料试验11 2.3.2 混凝土试块试验12 2.3.3 预应力筋材料试验122.4 试验加载设备及加载方案13 2.4.1 试验加载设备13 2.4.2 试验加载方案13 2.4.3 试验荷载的确定132.5 试验梁测点布置及数据采集14第三章 无粘结部分预应力梁受力性能试验结果分析173.1 试验现象173.2 混凝土应变、非
14、预应力受拉钢筋应变分析19 3.2.1 混凝土应变分析19 3.2.2 非预应力受拉钢筋应变分析203.3 试验梁裂缝开展及其规律223.4 试验梁挠度分析233.5 预应力筋应力分析253.6 预应力损失分析26 3.6.1 预应力损失的计算26 3.6.2 有效预应力分析273.7 本章小结28第四章 无粘结部分预应力梁受力性能研究294.1 无粘结部分预应力梁正截面抗裂性能分析29 4.1.1 试验梁开裂弯矩计算方法29 4.1.2 试验梁正截面抗裂性能分析294.2 无粘结部分预应力梁正截面抗弯承载力分析30 4.2.1 试验梁极限承载力计算方法30 4.2.2 试验梁极限承载力分析3
15、14.3 无粘结部分预应力梁变形性能分析32 4.3.1 试验梁反拱值计算33 4.3.2 试验梁在短期荷载作用下的挠度计算方法33 4.3.3 试验梁跨中挠度计算值与试验值对比分析34 4.3.4 试验梁跨中挠度影响因素分析354.4 无粘结部分预应力梁裂缝分析36 4.4.1 试验梁裂缝间距分析36 4.4.2 试验梁裂缝宽度分析384.5 无粘结部分预应力梁极限应力增量分析39 4.5.1 试验梁极限应力增量计算值与试验值对比分析39 4.5.2 试验梁极限应力增量影响因素分析404.6 本章小结40第五章 无粘结部分预应力梁有限元分析435.1 ANSYS有限元简介435.2 基于AN
16、SYS的无粘结部分预应力梁有限元模型的建立43 5.2.1 单元类型的选取43 5.2.2 材料的本构关系44 5.2.3 预应力混凝土结构的分析方法46 5.2.4 模型及单元网格划分46 5.2.5 边界条件及加载475.3 非线性有限元分析结果48 5.3.1 试验梁等效应力云图48 5.3.2 试验梁开裂弯矩对比分析49 5.3.3 试验梁极限弯矩对比分析49 5.3.4 试验梁跨中挠度对比分析50 5.3.5 试验梁应力增量对比分析515.4 补充构件分析52 5.4.1 补充构件的参数52 5.4.2 补充构件受力性能分析535.5 本章小结54第六章 结论与展望556.1 结论5
17、56.2 展望56参考文献57攻读学位期间所取得的相关科研成果61致 谢63V河北工业大学硕士学位论文第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着我国工程建设的发展,越来越多的新型结构被应用于工程建设中,但钢筋混凝土结构在工程中仍占居主导地位。在钢筋混凝土结构中,钢筋是必不可少的材料之一,钢筋的性能直接影响到该结构的性能,在我国大力倡导节能环保的背景下,在工程建设中使用普通钢筋作为用钢主材已无法满足工程发展的需要,研制成本低、性能好的钢筋并研究其在实际工程中的应用已成为迫切需要解决的问题。在钢筋混凝土结构中应用强度高、综合性能好的钢筋,是该结构发展的必然趋势。无粘结预应力结构是预应力结构的一个
18、较新的分支,属于后张法。在1925年,美国人R.E.Dill提出了无粘结预应力的构想,1927年由德国人R.Farber申请了专利1。由于受到材料性能和对这种新型结构认知的限制,该结构直到20世纪40年代才开始用于桥梁结构。我国对于无粘结预应力结构的研究起步较晚,20世纪60年代,我国才首次采用涂抹沥青的冷拉钢筋作为无粘结预应力筋应用于实际工程中2。无粘结部分预应力混凝土梁具有施工工艺简便、易于维护等优点,但受限于自身结构特点,其抗弯承载力较低,限制了该结构在工程中的应用。将高强钢筋加入到无粘结部分预应力混凝土梁中,可以改善其承载力;同时,高强钢筋的弹性模量不高,配置高强钢筋的普通混凝土构件的
19、挠度、裂缝宽度不易控制,可以由预应力改善其结构的变形及裂缝;而且从用钢量的角度来说,采用普通强度钢筋必然要消耗更大的钢筋用量,所以在当下倡导建设节约型社会的背景下,采用高强钢筋是势在必行,是该结构发展的未来趋势。600MPa钢筋是一种新型的高强钢筋,具有良好的力学性能。对于高强钢筋在无粘结部分预应力混凝土梁中的应用,国内众多高校及科研单位主要进行了配置HRB500级钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的试验研究,但配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁的试验研究在国内尚属空白。因此有必要对配置600MPa钢筋的无粘结部分预应力混凝土梁进行系统的研究,扩大该结构形式在工业建筑、民用建筑以及公路
20、桥梁工程中的应用范围,为将来相关规范的修订提供技术参考,尽早实现600MPa钢筋在全国范围的推广应用。1.2 600MPa钢筋的特点及高强钢筋的研究现状1.2.1 600MPa钢筋的特点我国目前在工程中普遍应用的抗拉钢筋为HRB400级钢筋,一部分大型重点工程采用了更高强度的HRB500级钢筋,辅助钢筋多采用HRB335级钢筋。虽然我国采取了各种措施来推广高强钢筋在实际工程中的应用,但高强钢筋在工程中的应用仍存在许多问题。与发达国家相比,我国建筑行业所用钢筋的强度普遍低12 个等级3,尤其是对配置600MPa 钢筋的混凝土构件的相关受力性能等方面的研究在国内相对较少。河北承钢公司继成功研发HR
21、B500级高强钢筋后又进行科技攻关成功研制了抗拉强度为600MPa级别的高强钢筋,填补了我国600MPa级高强钢筋生产的空白,为推广高强钢筋的应用奠定了坚实的基础4。作为一种新型高强钢筋,600MPa钢筋具有强度高、延性好等优点,本次试验采用的600MPa钢筋的主要化学成分见表1.1。表1.1 HRB600级钢筋化学成分参数钢筋强度等级化学成分 (%)CSiMnPSV600MPa0.230.631.380.0230.0250.122虽然600MPa钢筋有许多优点,但其在工程中的应用仍受到许多限制。一方面,由于缺乏系统的试验研究和理论分析,600MPa钢筋还未列入我国相关规范当中,直接影响了这种
22、新型钢筋在工程领域的应用;另一方面,将高强钢筋作为受拉钢筋加入到普通混凝土梁中,在正常使用阶段一般不能满足裂缝宽度限值的要求5,600MPa钢筋作为一种新型高强钢筋在普通混凝土中的应用会受到影响,限制了其在工程领域的应用。1.2.2 高强钢筋的国内外研究现状根据规定,新型材料在土木工程领域推广应用前,必须对配置新型材料的结构或构件的性能进行大量的试验研究和理论分析,待其成熟后将其列入我国相关规范中,为其在工程领域中的应用奠定基础。对于配置高强钢筋的混凝土构件的受力性能,国内外高校和科研单位进行了大量的试验研究和理论分析: 1997年,Ashour S.A,Mahmood K,Wafa F.F对
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