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1、HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁受力性能研究HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁受力性能研究HRB500级钢筋是我国冶金行业自主研究开发的适用于钢筋混凝土结构的高强钢筋,其各种性能指标均符合我国混凝土用钢的产品标准钢筋混凝土用热轧带肋钢筋(GB14991998),其各种性能指标均达到或超过国外工业化先进发达国家同强度级别钢筋的水平。HRB500级钢筋取代HRB335以及HRB400级钢筋,具有良好的社会效益和经济效益。折线配筋先张法施工工艺具有直线配筋先张及曲线配筋后张等工艺无可比拟的优点,在工程中大量推广应用可以带来良好的社会效益和经济效益。本文结合国家自然科学基金资助项目“HRB500
2、级钢筋混凝土构件受力性能的研究”(NO.50578148)及河南省交通厅资助项目“折线配筋预应力混凝土先张梁成套技术研究”(NO.201XP338),以配HRB500级钢筋的折线先张部分预应力混凝土梁和曲线配筋后张有粘结部分预应力混凝土梁作为研究对象,主要做了以下几个方面的工作: 1.设计了10根部分预应力混凝土简支梁(6根先张法、4根后张法),研究的主要参数有:混凝土强度、非预应力钢筋强度、非预应力钢筋配筋率、预应力强度比、预应力筋的布置形式及张拉方法等。对试验梁在制作过程中的各项应力进行监测,提出折线配筋先张法预应力混凝土梁在转向装置处的摩擦损失及其它预应力损失计算方法的建议,重点分析了折
3、线配筋先张法施工的部分预应力混凝土梁在施工阶段的受力性能,为推广应用折线配筋先张法施工工艺提供了依据。 2.完成了7根简支梁(4根先张法、3根后张法)在静力荷载作用下受力性能的试验,研究了试验梁在各受力阶段的特点,分析了HRB500级钢筋部分预应力梁的受力特点和破坏形态,分析了试验梁从加载开始到破坏全过程混凝土、非预应力筋和钢绞线的应变与荷载的关系,以及试验梁的裂缝和挠度开展及发展的规律,汇总了主要的试验结果,为后面相应的试验分析提供了可靠数据。 3.以试验数据为基础,分析了配HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁在静力荷载作用下的承载力、抗裂性、裂缝宽度、刚度和变形的特点,提出了相应的计算方法
4、,明确了HRB500级钢筋用于预应力混凝土结构中的设计强度取值,探讨了配HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁的延性特点及影响延性的因素,同时提出了配HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁及折线配筋先张法施工的部分预应力混凝土梁的设计方法,为将HRB500级钢筋列入我国混凝土结构设计规范奠定基础,为大力推广应用折线配筋先张法施工的部分预应力梁提供依据。 4.利用ANSYS大型有限元分析软件对配HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁在静力荷载作用下受力全过程进行非线性分析,通过对比计算结果与试验结果,验证了所采用的ANSYS数值模型参数是合理可行的,计算精度可以满足要求,对预应力钢筋混凝土结构进行的从
5、开裂到构件破坏的全过程非线性有限元分析与试验结果符合良好,可作为进一步深入研究的分析方法。 5.完成了3根简支梁(2根先张法、1根后张法)的疲劳受力性能试验,讨论了疲劳受力性能试验的试验方法及疲劳加载制度,揭示了折线配筋先张法预应力混凝土梁的疲劳破坏类型及破坏特征,分析了疲劳荷载作用下非预应力钢筋和预应力钢绞线的应力变化规律及非预应力钢筋的疲劳强度,并对HRB500级钢筋的疲劳性能进行了评价,然后讨论了试验梁在疲劳荷载作用下的裂缝、挠度变化规律及计算方法,初步提出了疲劳加载后的剩余承载力计算方法及HRB500级钢筋的疲劳应力幅限值,为将HRB500级钢筋列入我国混凝土结构设计规范提供试验数据,
6、证明了折线配筋先张法可以应用到承受重复荷载作用的构件中,具有足够的安全度。 摘要5-7Abstract7-16第一章 绪论16-42 1.1 项目研究的背景和意义16-19 1.2 国内外钢筋和混凝土应用概况19-21 1.3 HRB500级钢筋的特点及研究概况21-28 1. 3.1 HRB500级钢筋的特点及其力学性能21-24 1. 3.2 目前国内已开展的HRB500级钢筋的研究概述24-27 1. 3.3 HRB500级钢筋工程应用尚待解决的问题27-28 1.4 预应力混凝土结构的特点及发展概况28-36 1. 4.1 预应力混凝土结构的原理及特点28-29 1. 4.2 国内外预
7、应力混凝土结构的发展概况29-31 1. 4.3 预应力张拉施工工艺及其发展31-32 1. 4.4 折线先张预应力张拉施工工艺及其发展32-35 1. 4.5 预应力结构中的非预应力钢筋的作用35-36 1.5 本文的主要研究内容36-38 参考文献 38-42第二章 部分预应力试验梁的设计制作和监测42-61 2.1 前言42 2.2 试验梁的设计42-44 2. 2.1 试验梁所用材料42-43 2. 2.2 试验梁的参数43-44 2.3 试验梁的施工制作44-49 2. 3.1 折线配筋先张法部分预应力混凝土梁的制作要点45-48 2. 3.2 后张法部分预应力混凝土梁的制作要点48
8、-49 2.4 钢绞线和混凝土应变(应力)的监测49-53 2. 4.1 钢绞线应变(应力)的量测49-51 2. 4.2 折线配筋先张预应力梁51-52 2. 4.3 曲线配筋后张有粘结预应力梁52-53 2.5 预应力损失分析53-57 2. 5.1 预应力损失的定义及计算方法53-54 2. 5.2 折线钢绞线在转向装置处摩擦损失的试验54-55 2. 5.3 预应力损失实测值与计算值的比较55-57 2. 5.4 HRB500级非预应力钢筋的应力及混凝土的有效预应力值57 2.6 本章小结57-58 参考文献 58-61第三章 部分预应力梁在静力荷载作用下的受力性能的试验研究61-80
9、 3.1 前言61 3.2 试验方案和量测方法61-64 3. 2.1 试验梁加载方案61-62 3. 2.2 测点布置及量测方法62-64 3.3 HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁的受力特点和破坏形态64-67 3.4 混凝土、预应力钢绞线、HRB500级非预应力钢筋和箍筋的应变67-74 3. 4.1 混凝土应变67-70 3. 4.2 预应力钢绞线应变70-71 3. 4.3 HRB500级非预应力钢筋的应变71-72 3. 4.4 HRB500级箍筋的应变72-74 3.5 裂缝开展及发展规律74-78 3.6 试验梁基本试验结果78 3.7 本章小结78-79 参考文献 79-8
10、0第四章 部分预应力梁在静力荷载作用下的受力性能分析80-126 4.1 前言80 4.2 预应力混凝土结构分析方法80-92 4. 2.1 预应力混凝土结构分析方法概述80-81 4. 2.2 预应力引起的等效弯矩计算81-85 4. 2.3 混凝土有效预压应力计算85-88 4. 2.4 跨中反拱值计算88-89 4. 2.5 抗裂性分析89-90 4. 2.6 承载力分析90-92 4.3 HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁承载力分析92-95 4. 3.1 正截面受弯承载力92-94 4. 3.2 斜截面受剪承载力94-95 4.4 HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁抗裂性能分析9
11、5-98 4. 4.1 正截面抗裂性能95-96 4. 4.2 斜截面抗裂性能96-98 4.5 HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁裂缝分析98-103 4. 5.1 裂缝间距99-100 4. 5.2 纵向受拉钢筋等效应力_(sk)的计算100-101 4. 5.3 平均裂缝宽度及最大裂缝宽度计算公式101-102 4. 5.4 裂缝宽度实测值与计算值的比较102-103 4.6 HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁挠度分析103-109 4. 6.1 反拱计算分析103-104 4. 6.2 影响配有 HRB500钢筋的部分预应力混凝土梁的反拱因素分析104-105 4. 6.3 试验梁
12、在使用阶段短期荷载作用下的挠度分析105-108 4. 6.4 试验梁在加载过程中挠度的实测结果和计算结果的对比分析108-109 4.7 HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁的延性分析109-115 4. 7.1 延性的一般概念109-111 4. 7.2 试验梁的位移延性及曲率延性111-114 4. 7.3 试验梁的耗能系数114-115 4.8 HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁的设计方法建议115-118 4. 8.1 HRB500级钢筋用作非预应力筋的强度设计值115 4. 8.2 预应力损失计算115 4. 8.3 混凝土有效预压应力计算115-116 4. 8.4 混凝土应力
13、计算116 4. 8.5 正截面受弯和斜截面受剪承载力计算116-117 4. 8.6 正截面和斜截面抗裂验算及裂缝宽度计算117 4. 8.7 挠度及刚度计算117 4. 8.8 施工阶段应力验算117-118 4.9 配HRB500级钢筋的部分预应力混凝土受弯构件最小配筋率的建议118-121 4.9.1 最小配筋率的确定原则118 4.9.2 我国各设计规范对部分预应力受弯构件最小配筋率的规定118-120 4.9.3 配有HRB500钢筋的部分预应力混凝土受弯构件的最小配筋率的建议120-121 4.10 本章小结121-122 参考文献 122-126第五章 部分预应力梁在静力荷载作
14、用下的有限元分析126-156 5.1 前言126-127 5.2 预应力混凝土梁非线性有限元分析模型127-135 5. 2.1 基本假定127-128 5. 2.2 有限元单元类型128-130 5. 2.3 材料本构关系模型130-134 5. 2.4 混凝土裂缝数学模型134-135 5.3 预应力混凝土梁非线性有限元分析方法135-138 5. 3.1 模型及单元网格划分135-136 5. 3.2 边界条件及加载136-137 5. 3.3 有限元方程求解137-138 5. 3.4 非线性有限元计算收敛标准138 5.4 非线性有限元分析结果138-153 5. 4.1 施加预应
15、力后的应力状态139-143 5. 4.2 外荷载作用后的荷载一挠度曲线143-145 5. 4.3 外荷载作用后的混凝土预应力钢绞线及非预应力钢筋荷载应变曲线145-150 5. 4.4 开裂荷载和极限荷载150-151 5. 4.5 裂缝形态151-153 5.5 本章小结153-154 参考文献 154-156第六章 部分预应力梁在等幅疲劳荷载作用下受力性能的试验研究156-187 6.1 前言156-157 6.2 试验方法和疲劳加载制度157-161 6. 2.1 试验梁的设计157 6. 2.2 试验加载设计157-158 6. 2.3 测点布置及量测方法158-159 6. 2.
16、4 疲劳荷载值的选取159-160 6. 2.5 等幅疲劳试验加载制度160-161 6.3 疲劳荷载作用下的试验现象和试验结果161-163 6.4 疲劳受力性能分析163-175 6. 4.1 疲劳破坏的特点163-164 6. 4.2 跨中截面混凝土应变的分布164-165 6. 4.3 疲劳荷载作用下梁受压区高度的变化规律165 6. 4.4 疲劳荷载作用下梁受压区混凝土应变的变化规律165-166 6. 4.5 疲劳荷载作用下 HRB500级非预应力钢筋应变的变化规律166-168 6. 4.6 疲劳荷载作用下预应力钢绞线应变的变化规律168-169 6. 4.7 疲劳荷载作用下的挠
17、度169-172 6. 4.8 疲劳荷载作用下的刚度退化172-173 6. 4.9 疲劳荷载作用下的裂缝173-175 6.5 试验梁的疲劳强度分析175-179 6. 5.1 预应力钢绞线和非预应力钢筋应力的计算175-177 6. 5.2 预应力钢绞线的疲劳强度验算177 6. 5.3 非预应力钢筋的疲劳强度验算177-178 6. 5.4 非预应力钢筋 HRB500级钢筋的疲劳应力幅的探讨178-179 6.6 疲劳加载后预应力混凝土梁的受力性能179-183 6. 6.1 疲劳加载后预应力混凝土梁在静力荷载作用下的破坏特征179 6. 6.2 疲劳加载后静荷载作用下平截面假定的适用性验证179-180 6. 6.3 疲劳加载后静荷载作用下预应力混凝土梁的剩余承载力180-181 6. 6.4 疲劳加载后静荷载作用下的非预应力钢筋应变181 6. 6.5 疲劳加载后静荷载作用下的预应力钢绞线应变181 6. 6.6 疲劳加载后静荷载作用下的裂缝性能181-183 6. 6.7 疲劳加载后静荷载作用下的荷载挠度曲线183 6.7 本章小结183-184 参考文献 184-187第七章 总结与展望187-191 7.1 主要结论187-188 7.2 设计建议188-189 7.3 展望189-191创新点191-192博士在读期间发表的论文/论著目录192-193致谢193