CN111982677A - 一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法 - Google Patents

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Abstract

发明提供一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法。该方法在采取对施工阶段受力状态的明确定义和控制、有限元三维模型计算分析、最佳检测控制截面和截面内最佳测点布置部位的选择以及现场检测环境的选择和有效控制等措施的基础上，提出一种大跨度预应力混凝土框架结构预压力(包括超长预应力混凝土框架结构中预应力筋分批张拉的各批次预压力)的有效现场检测方法。本发明目的是解决长期以来大跨度预应力混凝土框架结构预应力张拉施工阶段有效预压力检测精度差、以至无法采用的问题，为该类结构的设计提供参考数据，为其施工的可靠性提供有效检测方法。

Description

一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法
技术领域
本发明涉及预应力混凝土框架结构技术领域，特别涉及一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法。
背景技术
预应力混凝土结构是指为了改善结构或构件的使用性能而在外加荷载作用前预先施加的一种作用，以建立起初始内应力和变形，用以部分或全部抵消外荷载应力及变形的一种加筋混凝土结构。预应力混凝土结构一般是通过张拉配置的预应力筋，建立预加应力的。在超静定结构中张拉预应力筋，结构受到赘余约束的影响，除产生如初弯矩、初剪力、初轴力等初内力外，还将在结构中产生如次弯矩、次剪力、次轴力等次内力。准确确定预应力筋张拉后在截面中建立的有效预压力，对分析预应力效应具有重要意义。理论计算值，受到预应力损失计算误差、施工质量以及结构分析模型等多种因素的影响，往往计算偏差较大，特别是对于结构较为复杂的三维结构，如本专利涉及的分批次张拉的超长预应力混凝土框架结构。此外，长期以来，大跨度预应力混凝土框架结构缺乏有效的预应力张拉施工阶段初始有效预压力检测方法，已有检测方法误差大以致无法采用。
发明内容
本发明的目的是提供一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，包括以下步骤：
1)根据实际施工状况，建立待检测预应力混凝土框架结构预应力筋张拉前、后对应的有限元三维计算模型。
2)通过有限元模拟计算确定各个测试梁的若干个测试截面。
3)将各个测试截面中梁宽中线位于中性轴高度位置处确定为测试点。其中，所述测试点处布置有应变计。所述应变计在测试梁混凝土浇筑前于测试点位置绑扎固定。所述应变计采用振弦式混凝土应变计。所述应变计平行结构轴线方向安装，测试导线沿结构钢筋引出。
4)张拉施工前，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录。其中，所述绝对应变记为轴向应变初始值ε1，测点温度记为测点初始温度T1。
5)张拉施工。
6)选择与步骤4)相应的环境，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录。其中，所述绝对应变记为轴向应变终值ε2，测点温度记为测点终温度T2。
7)采用式(1)计算考虑温度修正后测点应变增量Δε。
Δε＝ε2-ε1+Δεt (1)
式中，Δεt为考虑前后两次检测时温度不同对应变增量的修正量，με。
8)根据应变增量计算测试截面预压力N：
N＝Δσ×A (2)
Δσ＝Δε×E (3)
式中，Δσ为预应力筋张拉后测点上的应力增量，E为检测时混凝土的弹性模量，A为控制截面的面积。
本发明还公开一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，包括以下步骤：
1)根据实际施工状况，建立待检测预应力混凝土框架结构预应力筋张拉前、后对应的有限元三维计算模型。
2)通过有限元模拟计算确定各个测试梁的若干个测试截面。
3)将各个测试截面中梁侧位于中性轴高度位置处确定为测试点。其中，所述测试点处布置有应变计。梁浇筑完成以后，在梁侧布设外挂式应变计。所述应变计采用振弦式混凝土应变计。所述应变计平行结构轴线方向安装。
4)张拉施工前，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录。其中，所述绝对应变记为轴向应变初始值ε1，测点温度记为测点初始温度T1。
5)张拉施工。
6)选择与步骤4)相应的环境，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录。其中，所述绝对应变记为轴向应变终值ε2，测点温度记为测点终温度T2。
7)采用式(1)计算考虑温度修正后测点应变增量Δε。
Δε＝ε2-ε1+Δεt (4)
式中，Δεt为考虑前后两次检测时温度不同对应变增量的修正量，με。
8)根据应变增量计算测试截面预压力N：
N＝Δσ×A (5)
Δσ＝Δε×E (6)
式中，Δσ为预应力筋张拉后测点上的应力增量，E为检测时混凝土的弹性模量，A为控制截面的面积。
进一步，步骤1)中，采用有限元分析软件建立三维结构分析模型。
进一步，所述有限元分析软件采用SAP2000。
进一步，步骤3)之前还具有选定应变计并对应变计检定校准的相关步骤。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可现场检测预应力张拉有效预压力；
B.通过选择零弯矩增量截面和中性轴位置布置应变计，最大程度避免了检测前后预应力综合弯矩和外荷载弯矩增量对检测结果产生的影响；
C.通过对检测环境条件的控制和正弦式应变计自身的温度修正，有效地防止了温度、日照等环境条件变化对检测结果的影响。
附图说明
图1为方法流程图；
图2为预应力混凝土框架结构平面布置图；
图3为预应力混凝土框架结构有限元三维模型；
图4为测点布置图；
图5为应变计固定安装方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施中预应力混凝土框架结构为双向超长预应力混凝土框架结构。柱网尺寸为12m×11.4m，柱截面尺寸为b×h＝800mm×800mm，框架梁截面尺寸为b×h＝600mm×1000mm，次梁截面尺寸为b×h＝400mm×900mm。2层楼面标高10.900m，基础顶到2层楼面的距离为12m，板厚为170mm。构件均采用C40级混凝土。
参见图2，2层楼的楼盖在横向(X方向)布置有2条后浇带，纵向(Y方向)布置有3条后浇带。各后浇带依次编号为1#～5#。后浇带将楼盖划分为12个子单元。测试前，除2层楼盖部分后浇带尚未浇筑(附图2中以黑色填充示意)以外，标高10.900m以下混凝土已浇筑完毕。标高10.900m以上混凝土柱施工完成，其余部分均未施工。
图2中定位轴线的横向编号采用阿拉伯数字从左至右编写，纵向编号用大写英文字母从下至上编写。本实施例研究范围为J轴～M轴×～①～
Figure BDA0002615783510000041
所围区域，1#、2#、3#和4#后浇带将该区域划分成三个子单元，分别记为A、B和C子单元。测试前，A子单元X方向预应力筋1已完成张拉。后续张拉和后浇带浇筑施工顺序为：采用两端张方式拉张拉B子单元X方向预应力筋3；采用右端张拉方式张拉跨1#后浇带X方向预应力筋2；浇筑2#后浇带，待达到张拉强度后，采用左端张拉方式张拉跨2#后浇带C子单元X方向预应力筋4。
本实施例公开预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，包括以下步骤：
1)根据实际施工现状，采用SAP2000有限元软件建立待检测预应力混凝土框架结构预应力筋张拉前、后对应的有限元三维计算模型。
有限元三维计算模型尽可能模拟现场实际状况。应用SAP2000分阶段模拟施工功能较为真实的模拟预应力筋张拉和后浇带浇筑现场施工顺序。建模时充分考虑到小部分梁有变截面以及偏移情况。通过杆单元插入点和面单元厚度覆盖项对梁和板进行偏移，使得梁顶、板顶和柱顶平齐，更为真实的模拟了实际情况。建模时考虑到了试验区域J轴～M轴×①～
Figure BDA0002615783510000051
存在开洞的情况。
2)确定相关计算参数，如材料强度、截面尺寸、弹性模量和预应力等效荷载等。
3)选取最佳检测控制截面。参见图4，应变计布置于A、B子单元中。为了尽可能排除弯矩增量及其他因素的影响，考虑到在预应力筋张拉前后仅增加了预应力等效荷载的作用，故将测点布置在预应力等效荷载作用下梁综合弯矩为零的反弯点处最为合理。经有限元模拟计算后，选取预应力张拉前后弯矩增量接近零的截面为各个梁初始预压力(轴力)测试截面。
4)选定可进行温度修正的应变计并对应变计检定校准。在本实施例中选用XHX-115型振弦式埋入型。
5)选定步骤3)选取截面内的最佳测试点。混凝土浇筑前，在测试点布置应变计。
在本实施例中，为了进一步排除弯矩增量的影响，更加准确的检测出该梁截面初始预压力，将各个测试截面中梁宽中线位于中性轴高度位置处确定为测试点。现浇楼板对梁截面刚度有翼缘增大作用，在本实施例中，参照国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)考虑翼缘宽度，然后按T型截面确定测试截面中性轴位置。考虑翼缘宽度为6倍板厚的情况下，计算得到主梁中性轴位置距梁顶约为350mm，次梁中性轴位置距梁顶约为270mm。参见图4，图中测点编号原则为：L1-A代表A区域中，L轴线上框架梁从左起第1个测点。C7-B代表B区域中，次梁上第7个点。最后带有H的表示测点在预应力筋跨后浇带张拉范围内。
参见图5，5a为梁纵向方向应变计安装固定示意图，5b为梁截面应变计安装固定示意图。在本实施例中，根据计算结果用钢卷尺确定应变计安装位置，并将应变计绑扎固定在钢筋上，最后引出导线缠绕在钢筋上并固定。完成所有应变计布置后，将导出线的线头保护，防止线头因下雨、施工等各方面因素而损坏。
6)张拉施工前，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录。其中，所述绝对应变记为轴向应变初始值ε1，测点温度记为测点初始温度T1。张拉施工，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录。其中，所述绝对应变记为轴向应变终值ε2，测点温度记为测点终止温度T2。
本实施例在现场检测前，已经完成A、B、C三个子单元混凝土以及1#后浇带的浇筑，并完成了A子单元X方向预应力筋的张拉。为了最大程度消除环境因素(如：温度、日照等)的影响，本实施例选择一天上午9:00～10:00时这一时间段，且无阳光直射的条件下进行检测，读取数据。
6.1)2017年3月28日早上9:00～10:00读取所有应变计读数(包括：绝对应变和测点温度)，该组数据为B子单元X方向预应力筋3张拉之前应变计读数，记为第1组数据(简称：A1)。
6.2)2017年3月30日早上9:00～10:00读取所有应变计读数，该组数据为B子单元X方向预应力筋3张拉之后应变计读数，同时也为跨1#后浇带X方向预应力筋2张拉之前应变计读数，记为第2组数据(简称：A2)。
6.3)2017年3月31日早上9:00～10:00读取所有应变计读数，该组数据为跨1#后浇带X方向预应力筋2张拉之后应变计读数，记为第3组数据(简称：A3)。
6.4)2017年3月31日至2017年4月7日浇筑2#后浇带，等待2#后浇带达到其张拉强度。
6.5)2017年4月8日早上9:00～10:00读取所有应变计读数，该组数据为跨2#后浇带C子单元X方向预应力筋4张拉之前应变计读数，记为第4组数据(简称：A4)。
6.6)2017年4月9日早上9:00～10:00读取所有应变计读数，该组数据为跨2#后浇带C子单元X方向预应力筋4张拉之后应变计读数，记为第5组数据(简称：A5)。试验共取得5组数据(A1、A2、A3、A4、A5)，包括绝对应变和测点温度。
7)根据应变计厂家提供的计算公式：
Δεt＝1.8(T2-T1) (1)
Δε＝(ε2-ε1)+1.8(T2-T1) (2)
由此，可计算各测点在各批次预应力筋张拉前后应变的变化(含温度修正)。A1、A2为B子单元X方向预应力筋3张拉前后各测点对应的应变。A2、A3为跨1#后浇带X方向预应力筋2张拉前后各测点对应的应变。A4、A5为跨2#后浇带C子单元X方向预应力筋4张拉前后各测点对应的应变。试验数据计算汇总结果如表1～3中现场试验对应数据。其中，表1为B子单元预应力筋3张拉前后测点应变增量。表2为跨1#后浇带预应力筋2张拉前后测点应变增量。表3为跨2#后浇带C子单元预应力筋4张拉前后测点应变增量。表中拉应变为正，压应变为负，已考虑温度修正。此外，表中“/”表示测点已损坏或无效测点。
表1
Figure BDA0002615783510000071
表2
Figure BDA0002615783510000072
Figure BDA0002615783510000081
表3
8)根据表1～表3应变增量计算有效预压力N：
N＝Δσ×A (3)
Δσ＝Δε×E (4)
式中，Δσ为预应力筋张拉后测点上的应力增量、E为检测时混凝土的弹性模量、A为控制截面的面积(含翼缘)。N为测试截面预压力，计算结果见表1～表3中括号内数据。
实施例2：
本实施例提供一种基础的预应力混凝土框架结构预应力张拉初始有效预压力现场检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据实际施工状况，建立待检测预应力混凝土框架结构预应力筋张拉前、后对应的有限元三维计算模型。
2)通过有限元模拟计算确定各个测试梁的多个测试截面。
3)标记各个测试截面与梁侧壁的交线。将各条交线位于中性轴高度的位置确定为测试点。梁浇筑完成以后，在梁侧打孔，用螺栓把应变计固定在测试点。所述应变计采用振弦式混凝土应变计。所述应变计平行结构轴线方向安装。
4)张拉施工前，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录。其中，所述绝对应变记为轴向应变初始值ε1，测点温度记为测点初始温度T1。
5)张拉施工。
6)读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录。其中，所述绝对应变记为轴向应变终值ε2，测点温度记为测点终温度T2。
7)采用式(1)计算考虑温度修正后测点应变增量Δε。
Δε＝ε2-ε1+Δεt (1)
式中，Δεt为考虑前后两次检测时温度不同对应变增量的修正量，με。
8)根据应变增量计算测试截面预压力N：
N＝Δσ×A (2)
Δσ＝Δε×E (3)
式中，Δσ为预应力筋张拉后测点上的应力增量，E为检测时混凝土的弹性模量，A为控制截面的面积。
本实施例在采取对施工阶段受力状态的明确定义和控制、有限元三维模型计算分析、最佳检测控制截面和截面内最佳测点布置部位的选择以及现场检测环境的选择和有效控制等措施的基础上，提出一种大跨度预应力混凝土框架结构预压力(包括超长预应力混凝土框架结构中预应力筋分批张拉的各批次预压力)的有效现场检测方法。本实施例的目的是解决长期以来大跨度预应力混凝土框架结构预应力张拉施工阶段有效预压力检测精度差、以至无法采用的问题，为该类结构的设计提供参考数据，为其施工的可靠性提供有效检测方法。
实施例3：
本实施例主要步骤同实施例1或2，其中，采用SAP2000有限元软件建立待检测预应力混凝土框架结构预应力张拉前后的SAP2000有限元三维计算模型。
实施例4：
本实施例主要步骤同实施例1或2，其中，应变计测点数据读取时，选择在一天中温度相对稳定、无直接日照的环境条件下，如清晨或傍晚。

Claims (5)

1.一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据实际施工状况，建立待检测预应力混凝土框架结构预应力筋张拉前、后对应的有限元三维计算模型；
2)通过有限元模拟计算确定各个测试梁的若干个测试截面；
3)将各个测试截面中梁宽中线位于中性轴高度位置处确定为测试点；其中，所述测试点处布置有应变计；所述应变计在测试梁混凝土浇筑前于测试点位置绑扎固定；所述应变计采用振弦式混凝土应变计；所述应变计平行结构轴线方向安装，测试导线沿结构钢筋引出；
4)张拉施工前，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录；其中，所述绝对应变记为轴向应变初始值ε1，测点温度记为测点初始温度T1；
5)张拉施工；
6)选择与步骤4)相应的环境，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录；其中，所述绝对应变记为轴向应变终值ε2，测点温度记为测点终温度T2；
7)采用式(1)计算考虑温度修正后测点应变增量Δε；
Δε＝ε2-ε1+Δεt (1)
式中，Δεt为考虑前后两次检测时温度不同对应变增量的修正量，με；
8)根据应变增量计算测试截面预压力N：
N＝Δσ×A (2)
Δσ＝Δε×E (3)
式中，Δσ为预应力筋张拉后测点上的应力增量，E为检测时混凝土的弹性模量，A为控制截面的面积。
2.一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据实际施工状况，建立待检测预应力混凝土框架结构预应力筋张拉前、后对应的有限元三维计算模型；
2)通过有限元模拟计算确定各个测试梁的若干个测试截面；
3)将各个测试截面中梁侧位于中性轴高度位置处确定为测试点；其中，所述测试点处布置有应变计；梁浇筑完成以后，在梁侧布设外挂式应变计；所述应变计采用振弦式混凝土应变计；所述应变计平行结构轴线方向安装；
4)张拉施工前，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录；其中，所述绝对应变记为轴向应变初始值ε1，测点温度记为测点初始温度T1；
5)张拉施工；
6)选择与步骤4)相应的环境，读取所有应变计的绝对应变和测点温度，并分组记录；其中，所述绝对应变记为轴向应变终值ε2，测点温度记为测点终温度T2；
7)采用式(1)计算考虑温度修正后测点应变增量Δε；
Δε＝ε2-ε1+Δεt (4)
式中，Δεt为考虑前后两次检测时温度不同对应变增量的修正量，με；
8)根据应变增量计算测试截面预压力N：
N＝Δσ×A (5)
Δσ＝Δε×E (6)
式中，Δσ为预应力筋张拉后测点上的应力增量，E为检测时混凝土的弹性模量，A为控制截面的面积。
3.根据权利要求1或2所述的一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，其特征在于：步骤1)中，采用有限元分析软件建立三维结构分析模型。
4.根据权利要求1或2所述的一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，其特征在于：所述有限元分析软件采用SAP2000。
5.根据权利要求1或2所述的一种预应力混凝土框架结构初始有效预压力现场检测方法，其特征在于：步骤3)之前还具有选定应变计并对应变计检定校准的相关步骤。
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