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1． 同济大学建筑设计研究院，上海 200092； 2． 同济大学预应力研究所，上海 200092； 3．机械工业部第四设计院上海分院，上海 200000 摘 要：本文作者根据四根体外预应力简支梁的试验，得出了体外预应力梁在非线性状态下的反应，并利用大变形条件下的杆件结构变形推导了包括几何非线性和材料非线性的单元刚度矩阵，同时编制了非线性有限元程序进行验证。 关键词：体外预应力；非线性；砼 中图分类号：TU378．2 文献标识码：A 文章编号：1008—1933(2000)01—0060—03 1 引言 体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一，近年来正在成为预应力技术的热点。体外预应力砼结构有很多优点，预应力筋套管布置简单，调整容易，简化了后张法的操作程序，大大缩短了施工时间；同时由于预应力筋布置于腹板外面，使得浇注砼方便；由于预应力筋的位置，减少了施工过程中的摩擦损失且更换预应力筋方便易行。但目前国内对这一方面的研究很少，对于体外预应力筋的受力性能研究不多，因此为了使得体外预应力技术得到更大的使用，有必要对这一结构形式进行研究。 2 试验简介 本试验是针对沪杭高速公路上一座体外预应力桥进行的。 2．1 直线型体外预应力筋梁 试验梁主要考虑了跨高比、预应力度、非预应力筋配筋率的影响。试件及测试如图1所示。 2．2 折线型体外预应力筋梁 为了验证预应力筋的形状对挠度以及预应力筋的有效应力变化的影响，进行了折线型体外预应力筋的试验，试件及测试设备如图2所示。 试验的目的是通过对体外预应力梁进行加载试验，全面了解体外预应力梁在各个工况下的受力性能。通过对各种工况下应力、应变和位移的实测，建立一个合理的力学分析模型，通过对预应力筋应力应变的跟踪测量，得到预应力筋应力的变化。预应力筋布置于梁两侧，每侧为4Φ5，箍筋为Φ6＠200，砼设计强度为40MPa。 2．3 试件参数与结果 表1列出了四根梁的参数，表2列出了四根梁的试验结果。 3 试验结果分析 试验结果发现，四根梁的裂缝主要集中在跨中两加载点之间，裂缝形式如图3。极限荷载与开裂荷载比值为1.32~2.14之间，说明梁的延性较好，破坏形态为受弯破坏，即在跨中最大弯矩处非预应力筋屈服，受压区砼压碎，从而导致破坏。破坏时梁的挠度可达到5cm左右，梁的延性比约为10，说明位移延性较好。破坏时预应力筋均末屈服，应力值为0．71~1．02fpu。硷最大应变测到2500με(实际上远远大于此值)。同时在卸载以后，梁的变形大部分能恢复，说明了体外预应力梁良好的恢复力特性。 图4、图5为预应力筋的应力变化图，图6、图7为梁荷载一挠度曲线。 结果分析：由图4、图5可以看出，直线预应力筋随外力的增加，应力在初期变化不大，但在梁中部出现压缩裂缝且形成塑性铰以后，因梁端部翘起过大，并且由于直线配筋应力沿预应力筋分布均匀，因此应力有较大的增加。相反，曲线预应力筋由于测点相距较近，因此应力增长较小。很多设计中不考虑预应力筋的应力变化，这一点是比较合理的。由图6、图7曲线可以看出，体外预应力梁具有良好的变形能力。由于测试条件的限制，本试验没有测到明显的下降段。 4 体外预应力梁非线性全过程分析 为验证本文的试验结果，应用非线性有限元原理，采用杆单元、截面条带法模型(单元划分如图9)，在考虑了材料非线性，几何非线性，轴力二次矩以及预应力筋随整根梁的变形而产生应力增加等，将预应力的作用简化为等效荷载(如图8)，编制了体外预应力梁的全过程分析程序。具体框图如图10所示，结果也列于图6、图7，用虚线表示。杆单元的切线刚度矩阵为： [Kt]＝[K0]十[Kg] 其中 [Ko]＝∫v[B]Tet[B]dv 表示小位移刚度， 代表材料非线性； [Kg]＝∫v[C]Tσ[G]dv 表示大位移刚度，代 J V表几何非线性；每一条带处于非轴向应力状态。 5 结语 体外预应力筋梁在外荷载作用下，表现出良好的非线性特性，在一般情况下，不必考虑预应力筋的应力增量，同时，体外预应力筋梁具有良好的位移延性，且具有优良的恢复力特性。用杆单元进行截面划分，得到的P一S曲线较好地与试验得到的曲线相吻合。
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