关于对双高预应力梁刚度的试验研究
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摘要：双高梁是在配置高强度等级混凝土和高强度等级钢筋的基础上采用预应力技术的一种新型构件，它综合了预应力混凝土结构和高强钢筋混凝土结构的优点，具有更好的力学性能，有了越来越广泛的应用。文章通过对12根双高梁的试验研究，分析了现有规范刚度计算公式的适用性以及配筋率、预应力度与混凝土强度等因素对梁抗弯刚度的影响，并对规范公式进行了修正。通过研究得出：现有公式对于双高梁仍然适用，修正后的公式更加精确；而且混凝土强度越高、配筋率越大，预应力筋越多，梁的刚度越大，预应力的加入有效弥补了高强钢筋混凝土构件因截面尺寸减小而导致刚度降低的缺陷。此次试验研究为双高梁在实际工程中的应用提供了理论基础。
关键词：高强钢筋；高强混凝土；预应力；抗弯刚度；挠度
一、试验概况
（一）试件设计。本文试验的主要目的是分析混凝土强度等级、非预应力筋配筋率和预应力度对受弯构件刚度的影响。为此保持构件的截面尺寸不变，通过改变上述三个参数来研究其对刚度的影响；试验共设计了12根后张预应力梁试件，其中6根梁采用C80混凝土，6根采用C100混凝土，非预应力筋采用HRBF500级钢筋，箍筋为HRB400级钢筋，预应力筋采用低松弛1860级1×7股钢绞线。试件梁总长5.8m，试验跨度5.4m，截面设计尺寸均为200mm×450mm。
（二）试件材料性能。试验梁在浇筑的同时预留混凝土立方体试块和棱柱体试块在标准条件下养护28d后的抗压强度。对双高梁所用钢筋进行了力学性能试验，测量每种直径的钢筋和钢绞线的屈服强度和极限强度。
（三）加载方案及量测方案。试验采用两点对称集中加载，试验加载采用两阶段控制方法，屈服前采用荷载控制，分四～五级加载；屈服后改为位移控制，按试件屈服时跨中挠度的倍数逐级加载，直至试件承载力下降到最大承载力的85%左右时结束试验。试验正式加载之前进行预加载，正式加载时，每级荷载完成后持荷10分钟。
二、试验结果及分析
（一）平截面假定的验证。本次试验采用位移计测量试验梁各截面的混凝土平均应变，在梁跨中自上而下布置了5个小位移计，平均应变沿截面高度分布情况如图4所示。由图上曲线可以看出，随着荷载的增加，截面的中性轴逐渐地向上移动，在各级荷载作用下，混凝土的平均应变呈线性分布，截面变保持平面，符合平截面假定。
（二）跨中挠度计算分析。试验发现，各试验梁的变形随荷载的增加均表现出明显的3个阶段：第1阶段为弹性阶段，梁的变形随荷载的增加呈线性增大，抗弯刚度（曲线的斜率）基本不变；第2阶段为弹塑性阶段，弯矩达到0.4Mu～0.5Mu时，由于裂缝的产生使梁的抗弯刚度出现退化，刚度约为第1阶段的50%～65%，试验梁的变形随荷载的增加呈非线性增长，梁的抗弯刚度因裂缝的产生和发展而逐渐降低，此阶段按照直线双线性理论可以近似看作直线段。第1阶段和第2阶段之间有明显的转折点，为梁正截面的开裂点；第3阶段为塑性阶段，当弯矩达到0.9Mu～1.0Mu时，出现第二个拐点，此后试验梁承受的荷载基本不变而变形增加，刚度约为第1阶段的10%～15%，标志着梁正截面达到了正常使用极限状态。
在开裂前，各种计算公式没有太大的分歧，我国混凝土规范采用的刚度公式为Bs=0.85EcI0，美国ACI规范采用的是Bs=EcIg。对于开裂后构件挠度的计算方法，主要有：直线双线性法、有效惯性矩法和曲率积分法＂。
通过对比分析表明：预应力梁截面刚度按规范规范公式及直线双线性公式进行计算均有较大偏差，计算值均大于试验值，说明两种计算方法都偏安全偏保守。开裂前直线双线性计算值误差较小，开裂后规范计算值误差较小。正常使用状态下两种公式计算值的离散性均较好，但计算值都大于试验值，规范方法跟直线双线性方法对于梁跨中挠度的计算均适用但偏保守，开裂前，直线双线性计算值更接近试验值，开裂后使用规范计算公式更精确。
（三）抗弯刚度影响因素分析。通过分析开裂前后配筋率、预应力度λ、混凝土强度等级对梁刚度的影响曲线，可以看出：开裂前，梁的刚度受各因素的影响不大，相对来说，混凝土强度等级对梁刚度的作用最大，其次是配筋率，几乎不受预应力度的影响，原因是此时梁的变形很小，预应力筋应变有滞后，发挥的作用较小，预应力筋对梁的抗弯刚度贡献不大。开裂后，配筋率、预应力度对刚度的影响作用很大，刚度随配筋率的增大、预应力度的提高而增大，混凝土强度等级对梁刚度影响较小。
三、结论
通过对12根双高梁进行抗弯性能试验，分析了现有刚度计算公式的适用性及几个关键参数对梁抗弯刚度的影响，得到以下几个基本结论：
（一）正常使用状态下，双高梁的抗弯刚度仍可用混凝土规范中的刚度公式或直线双线性公司进行计算，钢筋屈服后，两种公式均不再适用。
（二）本试验各构件的跨中挠度试验值小于两种方法计算值，说明两种方法都偏保守偏安全，将两种计算方法进行比较发现，开裂前，直线双线性方法计算值更接近试验值，开裂后，按规范方法计算更精确。
（三）双高梁，在开裂前，预应力度对梁刚度几乎没有影响，梁刚度受混凝土强度等级及配筋率影响较小。开裂后，影响梁抗弯刚度的最大因素是预应力度和配筋率，梁刚度随着配筋率的增大、预应力度的提高提高而增大，混凝土强度等级对刚度影响较小。