HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁受力性能研究
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摘要
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》(GB1499—1998),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.2005P338),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,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,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。
HRB500 reinforced bars developed by China's metallurgical industry are adapt to high-strength steel reinforced concrete structure. Various performance indicators of the bars are conform to our country's steel products standards "hot and roll steel used in the reinforced concrete" (GB1499-199 8), and are met or exceeded the level of the same strength class reinforced bars developed in the foreign advanced industrial countries. That replacing HRB335 and HRB400 reinforced bars by HRB500 reinforced bars has good social and economic efficiency. The construction technology of the fold line pre-tensioned method has many advantages over the straight line pre-tensioned method and the curve pre-tensioned method. Combined with the National Natural Science Foundation-funded project "study on the force properties of HRB500 level reinforced concrete structures" (NO.50578148) and the Transportation Office of Henan province-funded project "study on a set of suitable techniques of the broken-tendon of pre-tensioned pre-stressed concrete beams" (NO.2005P338), the research work on the following aspects are mainly done with the fold line pre-tensioned pre-stressed beams and the curve post-tensioned pre-stressed concrete beams with HRB500 reinforced bars:
1. Ten part pre-stressed concrete beams supported simply (6 of them are pre-tensioned, the other 4 are post-tensioned) are designed, and the main study parameters are: the strength of concrete, the strength of non-pre-stressed bars, the reinforcement ratio of non-pre-stressed bars, the strength ratio of the pre-stressed reinforced bars, the layout form and tension methods of the pre-stressed reinforced bars and so on. Various stresses are monitored in the production process of the test beams. The calculation methods suggestion is proposed about the friction loss on the fold line reinforced pre-tensioned pre-stressed concrete beam devices and other pre-stressed loss. Especially, the force performance in the construction phase is analyzed about the fold line reinforced pre-tensioned pre-stressed concrete beams. Thus, the basis is provided for promoting the use of fold line pre-tensioned pre-stressed concrete construction technology.
2. The static load test of the 7 concrete beams (4 pre-tensioned, 3 post-tensioned) supported simply are completed, as well as a test study on the characteristics of the force of the beam in every phase. The stress characteristics and damage patterns are analyzed about the HRB500 reinforced bars part pre-stressed beams. Meanwhile, the relationship between load and strain about the concrete, non-pre-stressed reinforcement and strand is analyzed during the whole process of the test beam from the load start to damage, and so is the development law of the cracks and deflection of the test beams. The main trial results are summarized, and the reliable data are provided for the following test analysis accordingly.
3. The bearing capacity, crack, crack width, stiffness and deformation characteristics is analyzed about the HRB500 reinforced bars part pre-stressed beams in the static load based on the test data. Then, the corresponding calculation method is proposed, and the design strength value about the HRB500 reinforced bars used in pre-stressed concrete structures is known clearly. Also, the ductility characteristics and impact factors of the ductile is investigated about the beams. Meantime, the design method is proposed about the fold line reinforced pre-tensioned part pre-stressed concrete beam with HRB500 reinforced bars. Thus, the foundation is laid for that HRB500 bars will be included in the reinforced concrete structure design codes in China, and the basis is provided for the great efforts to promote the use of fold line pre-tensioned pre-stressed concrete beams.
4. The non-linear analysis about the HRB500 reinforced bars part pre-stressed concrete beam for the entire process of loading is carried out by ANSYS finite element analysis software. By comparing the results with the test results, the ANSYS numerical model and parameters are verified reasonably and feasibly, also, the accuracy can meet the requirements. Thus, the finite element analysis results are in line with the test results, and the finite element analysis method can be used as a further study technique.
5. The fatigue stress test of the 3 concrete beams (2 pre-tensioned, 1 post-tensioned) supported simply are completed, meanwhile the test method and fatigue test of the adding load system is discussed about the fatigue performance test. Then the fatigue damage patterns and destruction features are revealed about the broken line reinforced pre-tensioned pre-stressed concrete beam. The stress changing law of the non-pre-stressed reinforced bars and pre-stressed strand and fatigue strength of the non-pre-stressed reinforced bars is analyzed under the action of the fatigue load. Following, the fatigue performance of the HRB500 reinforced bars is evaluated. After that, the cracks, deflection changing law and calculation method are discussed about the test beam under fatigue load, and the remaining capacity calculation method after the action of the fatigue load is proposed. Accordingly, the test data are provided for the including HRB500 bars in the reinforced concrete structure design codes in China in the future, and it is proved that fold line pre-tensioned method can be applied to the structural elements bearing the duplicate load with adequate security.
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,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,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。
HRB500 reinforced bars developed by China's metallurgical industry are adapt to high-strength steel reinforced concrete structure. Various performance indicators of the bars are conform to our country's steel products standards "hot and roll steel used in the reinforced concrete" (GB1499-199 8), and are met or exceeded the level of the same strength class reinforced bars developed in the foreign advanced industrial countries. That replacing HRB335 and HRB400 reinforced bars by HRB500 reinforced bars has good social and economic efficiency. The construction technology of the fold line pre-tensioned method has many advantages over the straight line pre-tensioned method and the curve pre-tensioned method. Combined with the National Natural Science Foundation-funded project "study on the force properties of HRB500 level reinforced concrete structures" (NO.50578148) and the Transportation Office of Henan province-funded project "study on a set of suitable techniques of the broken-tendon of pre-tensioned pre-stressed concrete beams" (NO.2005P338), the research work on the following aspects are mainly done with the fold line pre-tensioned pre-stressed beams and the curve post-tensioned pre-stressed concrete beams with HRB500 reinforced bars:
1. Ten part pre-stressed concrete beams supported simply (6 of them are pre-tensioned, the other 4 are post-tensioned) are designed, and the main study parameters are: the strength of concrete, the strength of non-pre-stressed bars, the reinforcement ratio of non-pre-stressed bars, the strength ratio of the pre-stressed reinforced bars, the layout form and tension methods of the pre-stressed reinforced bars and so on. Various stresses are monitored in the production process of the test beams. The calculation methods suggestion is proposed about the friction loss on the fold line reinforced pre-tensioned pre-stressed concrete beam devices and other pre-stressed loss. Especially, the force performance in the construction phase is analyzed about the fold line reinforced pre-tensioned pre-stressed concrete beams. Thus, the basis is provided for promoting the use of fold line pre-tensioned pre-stressed concrete construction technology.
2. The static load test of the 7 concrete beams (4 pre-tensioned, 3 post-tensioned) supported simply are completed, as well as a test study on the characteristics of the force of the beam in every phase. The stress characteristics and damage patterns are analyzed about the HRB500 reinforced bars part pre-stressed beams. Meanwhile, the relationship between load and strain about the concrete, non-pre-stressed reinforcement and strand is analyzed during the whole process of the test beam from the load start to damage, and so is the development law of the cracks and deflection of the test beams. The main trial results are summarized, and the reliable data are provided for the following test analysis accordingly.
3. The bearing capacity, crack, crack width, stiffness and deformation characteristics is analyzed about the HRB500 reinforced bars part pre-stressed beams in the static load based on the test data. Then, the corresponding calculation method is proposed, and the design strength value about the HRB500 reinforced bars used in pre-stressed concrete structures is known clearly. Also, the ductility characteristics and impact factors of the ductile is investigated about the beams. Meantime, the design method is proposed about the fold line reinforced pre-tensioned part pre-stressed concrete beam with HRB500 reinforced bars. Thus, the foundation is laid for that HRB500 bars will be included in the reinforced concrete structure design codes in China, and the basis is provided for the great efforts to promote the use of fold line pre-tensioned pre-stressed concrete beams.
4. The non-linear analysis about the HRB500 reinforced bars part pre-stressed concrete beam for the entire process of loading is carried out by ANSYS finite element analysis software. By comparing the results with the test results, the ANSYS numerical model and parameters are verified reasonably and feasibly, also, the accuracy can meet the requirements. Thus, the finite element analysis results are in line with the test results, and the finite element analysis method can be used as a further study technique.
5. The fatigue stress test of the 3 concrete beams (2 pre-tensioned, 1 post-tensioned) supported simply are completed, meanwhile the test method and fatigue test of the adding load system is discussed about the fatigue performance test. Then the fatigue damage patterns and destruction features are revealed about the broken line reinforced pre-tensioned pre-stressed concrete beam. The stress changing law of the non-pre-stressed reinforced bars and pre-stressed strand and fatigue strength of the non-pre-stressed reinforced bars is analyzed under the action of the fatigue load. Following, the fatigue performance of the HRB500 reinforced bars is evaluated. After that, the cracks, deflection changing law and calculation method are discussed about the test beam under fatigue load, and the remaining capacity calculation method after the action of the fatigue load is proposed. Accordingly, the test data are provided for the including HRB500 bars in the reinforced concrete structure design codes in China in the future, and it is proved that fold line pre-tensioned method can be applied to the structural elements bearing the duplicate load with adequate security.
引文
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