預(yù)應(yīng)力技術(shù)在天然石材構(gòu)件中的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在天然石材構(gòu)件中的應(yīng)用

石頭是最古老的建筑材料之一。由于其自身的物理、化學(xué)性質(zhì)和形成條件，石頭永久性生長旺盛，永久性建造了許多不朽的建筑。例如，4000多年前建造的吉薩大金字塔和斯芬克斯、中國古代的石材、石頭、石頭等?，F(xiàn)代建筑仍然是建筑材料之一。在許多設(shè)計(jì)師看來，石頭雕塑的景觀內(nèi)涵很難用其他材料來解釋和表達(dá)。隨著鋼、鐵、混凝土等新材料的出現(xiàn)，新的輕有效結(jié)構(gòu)體系取代了舊的沉重結(jié)構(gòu)體系，石頭失去了結(jié)構(gòu)的作用，但人們使用混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的建筑外觀仍然遵循一系列經(jīng)典的石材圖案，并給建筑使用傳統(tǒng)的石材梁體系的美。由于石材的塑性差、抗彎性和耐用性低，因此很少有人使用大傾角和傾斜壓力柱。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和不同長度結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，預(yù)壓技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。為了解決石材的上述弱點(diǎn)，使天然石材在古老的建筑中更受應(yīng)用。給你預(yù)算，改變石材構(gòu)件段的應(yīng)力分布、狀態(tài)和性質(zhì)，使其滿足規(guī)范規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，并改善石材的冷、斷裂和彈性。作為支撐結(jié)構(gòu)，預(yù)壓石材不僅可以充分發(fā)揮其抗壓性，還可以發(fā)揮石材的天然美，保持其建筑美學(xué)價(jià)值。在這項(xiàng)工作中，我們對(duì)天然石材構(gòu)件的石拱進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)加載試驗(yàn)，分析和嘉靖對(duì)石梁彎曲、抗裂性能的改善效果以及石梁破壞的形狀。1試驗(yàn)總結(jié)1.1預(yù)應(yīng)力筋.試驗(yàn)石梁的尺寸為實(shí)際工程中簡(jiǎn)支懸臂梁的1/2:試驗(yàn)石梁長4690mm,寬700mm,高375mm,支座寬450mm,支座中心至懸臂端長482.5mm,懸臂凈長度為257.5mm.石梁預(yù)留孔直徑50mm.試驗(yàn)所用預(yù)應(yīng)力鋼筋采用3根直徑為32mm,級(jí)別為PSB830的螺紋鋼筋.石梁尺寸如圖1所示.1.2應(yīng)變測(cè)試方法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為一臺(tái)日產(chǎn)TDS-602型數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng),其分辨率為0.1×10-6,采集速度40點(diǎn)/秒;撓度測(cè)量采用8個(gè)量程為100mm的位移計(jì);應(yīng)變測(cè)試采用型號(hào)為BX120-80AA,規(guī)格為5mm×80mm的膠基箔式應(yīng)變計(jì)24個(gè);液壓加載系統(tǒng)為200t壓力千斤頂一臺(tái),BHR-F型、量程為500t壓力傳感器一個(gè);預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉設(shè)備及測(cè)力計(jì)為YCW60B-200型張拉千斤頂一個(gè),測(cè)量、控制張拉力值采用BLR-1型、量程為100t的拉壓傳感器3個(gè).1.3梁端應(yīng)變分布測(cè)試內(nèi)容包括:石梁各截面應(yīng)變及梁的撓度,施加預(yù)應(yīng)力階段張拉鋼筋軸向拉力值等.在梁的跨中頂面兩邊緣及中點(diǎn)處布置3個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),梁跨中底面兩邊緣處布置2個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),在梁的跨中側(cè)面截面處布置5個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),以測(cè)試跨中截面在荷載作用下的應(yīng)變分布規(guī)律.在梁一端最外側(cè)受力點(diǎn)與支座對(duì)應(yīng)處的連線上布置3個(gè)應(yīng)變花測(cè)點(diǎn),以測(cè)試梁端受剪區(qū)的應(yīng)變分布狀態(tài).共19個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),具體位置見圖2所示.位移計(jì)布置如圖3所示.1.4預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉因條件限制,無法完全模擬實(shí)際工程中均布荷載的加載方式,考慮到方便加載等因素,采用集中荷載方式進(jìn)行加載.采用八分點(diǎn)四集中力等效均布荷載,其修正系數(shù)為0.97.具體加載方式:采用分配梁進(jìn)行兩級(jí)荷載分配,最上面中點(diǎn)采用200t壓力千斤頂和500t壓力傳感器進(jìn)行豎向加載.加載圖如圖4所示.試驗(yàn)分三個(gè)工況進(jìn)行:第一工況:只對(duì)石梁施加豎向荷載,荷載大小為P=375.78kN,不進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉.加載分5級(jí)施加,每一級(jí)施加完畢后,持荷10min,觀測(cè)梁跨中位置底面、側(cè)面及梁各集中力作用點(diǎn)處是否出現(xiàn)裂痕,梁頂面是否出現(xiàn)擠壓破碎等現(xiàn)象.通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀看石梁跨中最大撓度值及最大應(yīng)變值,計(jì)算得出每級(jí)荷載時(shí)石梁的截面最大應(yīng)力值和撓度值,與計(jì)算發(fā)生裂縫及彎曲破壞時(shí)的最大應(yīng)力值和撓度值對(duì)比,控制石梁不發(fā)生裂縫及彎曲破壞.第二工況:只對(duì)梁張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋,不施加豎向荷載.張拉鋼筋按設(shè)計(jì)要求施工,張拉鋼筋過程中,利用鋼筋端部的傳感器進(jìn)行拉力控制,每級(jí)張拉一根鋼筋后,都及時(shí)對(duì)石梁進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)重點(diǎn)同工況一,著重觀測(cè)石梁預(yù)應(yīng)力鋼筋錨墊板處的石材有無局部壓碎現(xiàn)象.第三工況:維持預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉狀態(tài),對(duì)石梁施加豎向荷載,荷載大小為P=375.78kN,加載過程仍分5級(jí)進(jìn)行,同工況一.當(dāng)荷載值達(dá)到最大設(shè)計(jì)荷載值的80%時(shí),按每級(jí)5%加到設(shè)計(jì)值,密切關(guān)注數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上記錄的最大應(yīng)變值及最大撓度值,同時(shí)觀測(cè)梁受剪區(qū)是否出現(xiàn)裂縫,端部預(yù)應(yīng)力錨墊板處是否出現(xiàn)局部破裂、壓碎等現(xiàn)象.豎向荷載達(dá)到P=375.78kN后,持載10min,繼續(xù)對(duì)石梁加載,直至破壞,密切觀察石梁各控制截面的裂縫狀態(tài).1.5鋼筋張拉及張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋采用3根直徑為32mm,級(jí)別為PSB830的螺紋鋼筋.采用單端張拉,單根鋼筋張拉控制應(yīng)力為498MPa,即控制3根鋼筋張拉完畢后,所產(chǎn)生的彎矩與只施加豎向荷載產(chǎn)生的彎矩相抵消.張拉預(yù)應(yīng)力采用分級(jí)循環(huán)張拉方式,即依次對(duì)每根鋼筋施加N/3→2N/3→N大小的力.張拉示意圖見圖5.2彎曲破壞情況表征石材抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及彈性模量等材性指標(biāo)見表1.由表1可知,石梁發(fā)生彎曲破壞時(shí),其跨中截面最大拉應(yīng)變?yōu)?84με.由石梁截面尺寸及彎曲強(qiáng)度,可求得石梁跨中最大彎矩Mf為247.7kN·m,從而可得跨中最大撓度理論值fmax=3.02mm.2.1梁態(tài)態(tài)分析2.1.1石梁應(yīng)力分析由圖6可知,石梁跨中最大應(yīng)變隨荷載的增加基本呈線性變化.觀察石梁各控制截面,石梁整個(gè)梁身未發(fā)生任何形式的破壞,沒有裂縫出現(xiàn).圖7為梁跨中截面高度各點(diǎn)應(yīng)變關(guān)系曲線,梁上部受壓,下部受拉,從圖中可以看出,應(yīng)變關(guān)系基本呈線性變化.可見,石梁此時(shí)處于彈性工作階段.石梁跨中最大拉應(yīng)變?yōu)?71.67,根據(jù)材性報(bào)告石梁的彈性模量為5.31×104MPa,可得石梁跨中最大拉應(yīng)力為14.4MPa<15.1MPa.2.1.2預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉過程中.工況二下,石梁未承受豎向荷載,預(yù)應(yīng)力鋼筋按順序依次張拉,石梁上部受拉,下部受壓.應(yīng)變隨荷載增加亦呈線性增加,如圖8所示.跨中截面各點(diǎn)應(yīng)變關(guān)系曲線見圖9所示.預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉完畢后,石梁跨中截面最大拉應(yīng)變?yōu)?40,即跨中截面最大拉應(yīng)力為7.43MPa,遠(yuǎn)小于石梁彎曲受拉強(qiáng)度15.1MPa.2.1.3工程應(yīng)用情況隨著豎向荷載的增大,跨中截面各處應(yīng)變都呈“恢復(fù)”狀態(tài),即1～4號(hào)受拉的應(yīng)變計(jì)拉應(yīng)變逐漸減小,當(dāng)荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值375kN時(shí),呈微微受壓的狀態(tài).而7～10號(hào)明顯受壓的應(yīng)變計(jì)則壓應(yīng)變逐漸減小,當(dāng)荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),仍呈很小受壓狀態(tài).5～6號(hào)應(yīng)變計(jì)處于中性軸附近,其應(yīng)變變化較小.由于試驗(yàn)過程中的施工條件及其他因素所致,石梁應(yīng)變并未完全恢復(fù)到“零”狀態(tài),但在使用荷載作用下(375kN)石梁的受拉區(qū)(下部)和受壓區(qū)(上部)都處于受壓狀態(tài),如圖10所示,受拉區(qū)不出現(xiàn)拉應(yīng)力,更不會(huì)出現(xiàn)裂縫,正截面抗裂驗(yàn)算完全滿足抗裂要求及設(shè)計(jì)要求.當(dāng)荷載大于375kN時(shí),石梁下部應(yīng)變繼續(xù)向受拉方向發(fā)展,當(dāng)荷載大約為770時(shí),應(yīng)變?yōu)?.當(dāng)荷載達(dá)到1270kN時(shí),石梁破壞,受拉區(qū)(下部)應(yīng)變?yōu)?85,如圖10所示,直至石梁斷裂前,其荷載-應(yīng)變關(guān)系基本上是線彈性的.可見,預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用對(duì)石梁抗彎承載力的提高效果是非常明顯的.2.2石梁跨中撓度試驗(yàn)結(jié)果石梁各工況荷載-撓度曲線如圖11～圖13所示.工況一梁最大撓度試驗(yàn)值為-2.21mm,折算為均布荷載作用撓度值為-2.14mm.工況二最大撓度試驗(yàn)值為2.48mm,折算為均布荷載作用撓度值為2.41mm.可見,在試驗(yàn)荷載作用下,跨中撓度滿足使用要求.工況三中,當(dāng)荷載加至375kN時(shí),石梁稍稍微拱,撓度值基本恢復(fù),符合設(shè)計(jì)計(jì)算要求.當(dāng)荷載加至石梁破壞時(shí),石梁跨中撓度試驗(yàn)值為-3.39mm,折算為均布荷載作用撓度值為-3.29mm,略大于理論計(jì)算值3.02mm.從圖12～圖14中可以看出,跨中荷載-撓度曲線的加載過程基本呈直線變化,表明石梁在整個(gè)試驗(yàn)過程中都處于彈性階段工作狀態(tài).各工況撓度曲線見圖14～圖16.2.3構(gòu)件內(nèi)裂縫.當(dāng)荷載加載至1270kN時(shí),石梁突然破壞,破壞形態(tài)見圖17所示.石梁出現(xiàn)裂縫即破壞,沒有明顯屈服階段,屬脆性斷裂.裂縫出現(xiàn)在石梁左端第二個(gè)集中力作用點(diǎn)下方的彎剪區(qū).石梁荷載通過彎曲形壓力線向支座傳遞,受力狀態(tài)已是拉桿拱的雛形.其中靠近支座的主拱,因?yàn)閭髁€對(duì)截面的偏心距大而在構(gòu)件角部產(chǎn)生拉應(yīng)力,從而產(chǎn)生受拉裂縫.石梁在正應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用,出現(xiàn)橫向裂縫和破壞區(qū).分析裂縫可能出現(xiàn)的情形為:彎剪段的腹部中間形成45°的腹剪斜裂縫后,迅速往兩個(gè)方向發(fā)展:裂縫向上發(fā)展,傾斜角漸減為0,在梁頂部形成橫向裂縫;裂縫向下發(fā)展,傾斜角漸增,到達(dá)梁底部呈豎直方向.考慮到只施加此集中力時(shí),石梁的剪跨比(λ=3.8)較大,荷載位置離支座已遠(yuǎn),豎向方向正應(yīng)力σy對(duì)梁腹部的影響很小,造成最終破壞的斜裂縫是主拉應(yīng)力σx控制的拉斷破壞,為斜拉破壞.3預(yù)應(yīng)力石梁受彎性能(1)將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用在石梁構(gòu)件中,極大的提高了石梁的受彎承載力和抗裂能力,拓寬了石材構(gòu)件的應(yīng)用范圍.本次試驗(yàn)為斜截面破壞,若石梁橫向也施加預(yù)應(yīng)力,則會(huì)使承載力進(jìn)一步提高.寶雞市政廣場(chǎng)石牌樓成功使用了跨度為7.45m