华中科技大学硕士学位论文全预应力梁预应力损失的动力检测研究姓名：李瑞鸽申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：张耀庭20051106II摘 要 预应力混凝土结构在使用过程中由于混凝土压缩收缩徐变钢筋的应力松弛等因素会导致预应力筋的预应力损失预应力筋中现存的预应力及实际受力状况与结构的工作状态密切相关所以预应力损失的检测是预应力结构健康检测和监测的重要内容本文将从结构的动力性能出发通过结构的模态参数变化检测预应力筋的预应力损失重点探讨无粘结全预应力梁的频率与预应力损失之间的关系 本文中制作了 2 根无粘结预应力混凝土梁和 3 根有粘结预应力混凝土梁对预应力梁分级施加预应力 分别测试在各级预应力状态下试验梁的前 4 阶频率, 分析预应力变化和频率变化之间的关系用以模拟预应力损失引起的频率变化试验结果表明随着预应力的增加梁的频率不断上升当预应力增加到一定程度时梁的频率稍有下降 论文中按照梁式压杆两端承受压力的动力模型建立了预应力混凝土梁的有限元计算模型进行了试验梁的频率和振型的计算计算结果显示频率计算值随着梁中预应力的增加而不断减小这一结论与试验结果相反造成这种结果的主要原因一是没有考虑到混凝土是一种非均质材料 在其凝结硬化过程中已经存在一些初始微裂缝在预压应力作用下微裂缝闭合致使梁的整体刚度增加梁的频率上升另外一个因素是由于一根钢筋在受拉时会随着拉力的增加频率升高即预应力筋中拉力的存在增加了梁的整体刚度论文从这两方面入手对有限元计算模型进行了修正 本文推导了模态参数频率和振型对张拉力变化的敏感系数计算公式利用修正过的动力有限元模型计算出模态参数对张拉力的灵敏度值用计算得到的灵敏度值和试验得到的频率变化量预测张拉力的变化效果良好 关键词 全预应力梁 预应力混凝土 预应力损失 敏感性 频率 振型 IIIAbstract It is known that the loss of the prestress force in tendons occurs due to elastic shortening, creep and shrinkage of concrete, steel relaxation, etc. in the condition of service of prestressed concrete. Existing prestress force and the actual stress in tendons have close connection with the active state of prestressed concrete structure, so the detection of prestress loss is the important part of the health monitoring and detection of prestressed concrete structure . The loss of prestress force is pre-estimated by the change of modal parameter from dynamic nature of construction in this paper.The relations between the frequency and prestress losse of unbonded prestressed concrete beam will be researched chiefly in this paper. Tow unbonded prestressed concrete beams and three bonded prestressed concrete beams were made. Prestress force was applied to these beams in grades, then their first four steps frequencies in every grade prestress force were measured. And relation of change between prestress force and frequencies which are used to analog the prestess loss is analysed in this paper. The test results indicate that the frequencies of these beams are increasing gradually with the increasing of the prestress force in the certain range, then the frequencies decreased slightly when the prestress force out of the range. Finite element model of Prestressed concrete beam was created according to the kinematic model of beam compression bar, then the frequencies and modals of test beam were calculated by it. The results of calculation indicate that the calculated frequencies of these beams is decreassing gradually with the increasing of the prestress force. This conclusion is opposite to the result of test. One of the reasons to this result is that the heterogeneous of the concrete was not considered, with the action of the compression force the minute crack close-up which is appeared when the concrete harden, which leads to the increasing of rigidity and natural frequencythe other factor is that natural frequency of the tendons is increasing when it is tensed, that is the tension in the prestressed tendons increase IV the whole rigidity of the beam. The finite element model was modified in this two aspects in this paper. Modal sensitivity coefficients (those of frequency, modal shape) of tendons tension force was deduced in the paper. Modal sensitivity coefficients of tendons tension force was calculated with the modifyed finite element model, which is used to predict the change of the tendons tension well with the change of test frequency. Keywords: Full prestressed concrete beam Prestressed concrete Prestress loss Sensitivity Frequency Modal shape 11 绪论 1 . 1 引言 将预应力原理用于混凝土的实践始于十九世纪八十年代 1 预应力是为了改善结构或构件在使用条件下的工作性能而在使用以前预先施加的永久性内应力 从二十世纪三十年代开始预应力混凝土已广泛地应用于桥梁建筑结构海洋平台水工结构等土木工程之中 2 , 它们在经济和社会的发展中发挥着越来越重要的作用统计资料表明近二十年来我国所建桥梁中, 7 5 % 以上采用的是预应力混凝土结构 梁式预应力混凝土结构是土木工程中广泛应用的预应力混凝土结构型式之一 根据预应力钢筋的布置方式 可将预应力混凝土梁分为体内预应力混凝土梁和体外预应力混凝土梁 3 根据预应力筋与混凝土的粘结情况又可将其分为有粘结预应力梁和无粘结预应力梁根据预应力度的大小还可将其分为全预应力梁有限预应力梁和部分预应力梁根据施工顺序又分为先张法构件和后张法构件等 在使用期间由于荷载疲劳腐蚀老化及环境条件等不利条件和因素的影响,预应力结构将不可避免地产生损伤积累抗力衰减甚至导致突发性事故由于预应力混凝土结构是依靠张拉力筋来建立内应力的混凝土结构 预应力钢筋是结构的关键受力部件预应力筋的有效预应力大小与构件的工作性能密切相关所以了解已有预应力构件中预应力筋的实际应力大小是评价预应力构件工作性能的关键 1 . 2 国内外预应力混凝土结构的发展及现状 在几世纪以前人们就已经将预应力的原理应用在制作日常工具上例如将加工好的木条围成桶形 外面用竹蔑箍紧 使木条处于相互挤压状态 竹蔑处于拉紧状态形成一个个盛水的桶桶内盛水时就使木条间的相互挤压力能够平衡内部液压产生的环向拉力 实际上在木条桶板和竹蔑没有承受任何工作荷载作用之前就已经作用了2预应力1 将上述原理应用到工程结构的第一个人是美国旧金山的工程师 P. H. Jackson1886 年他用拉紧的钢拉杆和石块及拱板做成楼板并取得了美国的专利1888 年前后德国的 C. E. W. Doehring 独立研制出在楼板受到荷载之前用施加拉力的钢筋来加强混凝土并且获得了专利但是这种早期的预应力由于钢筋强度过低加上混凝土的收缩和徐变很快就损失殆尽 1910 年 瑞士人西格瓦尔特(siegwart)用拉应力为 613 Mpa 的钢丝缠绕混凝土管管内水压升至 55 个大气压力仍不渗漏 1908 年美国的 C. R. Steiner 首先建议 可能在混凝土收缩和徐变发生一些之后重新张紧钢筋可以挽回一些损失1925 年美国人 R. E. Dill 用高强度外涂隔离层的钢筋预置在混凝土梁内待混凝土硬化后张拉钢筋并靠螺帽锚固于混凝土但是由于当时的技术和经济上的原因这种方法未得到推广和应用 1928 年法国的 E. Freyssinet 开始将高强度钢丝用于预应力混凝土1939 年他又发明了端部锚固的锥形楔并设计了双作用千斤顶用来张紧钢丝然后将子锥挤入母锥以锚固钢丝 1934 年德国人迪申格尔(F. Dischinger)的体外无粘结力筋的技术取得了德国和法国的专利他将力筋布置在混凝土构件截面之外类似于桁架中的拉杆两端用螺帽锚固钢筋可以再次张拉以补偿混凝土收缩徐变导致的应力损失 第二次世界大战结束后(1945)欧洲钢材短缺预应力混凝土比常用构造形式节省很多钢材因此经历了一个世界范围的迅猛发展时期在所有材料锚具和施工工艺等方面都不断完善预应力桥梁房屋等建构筑物越来越多4近七十年来, 欧洲国家所见桥梁有 7 0 左右采用的是预应力混凝土结构近二十年来我国所建桥梁中, 也 7 5 % 以上采用的是预应力混凝土结构因此预应力混凝土结构也越来越受到工程界的重视 31