论文部分内容阅读
摘 要：薄壁混凝土舟是一艘由特殊轻质混凝土建造的整体密度小于水的独木舟。预应力技术在薄壁混凝土舟中对提高船壁强度及整体刚度有重要作用。该文在原有预应力施工方式的基础上进一步研究，对不同轻质混凝土配比、不同张拉材料、不同张拉方式进行实验研究，最后总结出最优施加方式：以钢绞线作为纵向预应力筋，碳纤维作为横向预应力筋，同时采用碳纤维栅格网作为加强材料。选择以钢绞线为预应力筋，选择碳纤维格栅作为预应力混凝土的加强材料。由于我们建模分析时采用了简化的举行模型，并且计算时的支座约束和实际有出入，实际情况与之相比略有出入，我们须适当降低要求提高容错。
关键词：预应力 薄壁壳体 混凝土轻舟
中图分类号：TU755 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0063-03
1 项目背景
薄壁混凝土舟是一艘用特殊轻质混凝土建造的整体密度小于水的独木舟。该独木舟长约6 m，最宽处约0.67 m，最深处0.35 m，船壁的平均厚度为15 mm。且要求该混凝土舟至少能够承受4名成年男子桨手的重量，约为3 kN，并且在竞速工况中要求具有良好的抗折抗彎性能。
预应力混凝土的实质是采用预先加压的手段间接提高混凝土的抗拉强度，从本质上改善混凝土容易开裂的特性，这对于轻舟中的薄壁轻质混凝土来说，是十分重要的措施。但是我们在预应力方面还是有很多不足，为了保证混凝土船壁的强度和抗折抗裂性能，并且减少整船重量减薄船壁厚度，我们在预应力方面做了更多的研究。
该文在优化轻质混凝土原材料选择及配比之后，先后从预应力选材、施加技术、船段性能几个方面进行实验，改进已有的预应力技术，提高整船的抗折抗压能力。
2 理论计算
2.1 整体分析
在分析纵向预应力的效应时，将船体视为预应力薄壳体。为简化计算，将施加的总拉力在预应力筋上沿长度平均分布并分段考虑预拉应力在横、纵方向上的分力。预应力筋纵向分力的合力会对截面形心处产生一个与荷载作用相反的弯矩，从而降低了受拉区混凝土中的应力水平。同时，横向的分力与水压对外侧壁产生的压力方向恰好相反，抵消了水压引起的内力，使得混凝土应力水平进一步下降。横向上，新加入了沿长度方向平均分布的10根预应力筋，在与纵向预应力的共同作用下使混凝土接近三向受压状态，从而提高混凝土的承载力。考虑预应力布置后由于长期作用下混凝土徐变与干缩、钢筋的松弛与收缩，最终造成预应力值损失约为25%。
2.2 纵断面分析
结构分析目的是确定不同荷载作用下临界拉、压应力的大小，并据此确定合适的混凝土配合比和预应力手段，来确保轻舟能够满足以下所考虑工况下的使用要求。考虑到薄壁混凝土舟普遍发生的裂缝问题，经过计算分析后，在原有基础上新增了横向预应力的探索。
总共考虑两种工况下的作用：竞速工况和非竞速工况。在非竞速工况下，船被简化成简支梁。前者的支座被置于以船头为起点的1.5 m与4.5 m处，后者的6个支座沿长度方向对称分布。在竞速工况下，男性和女性桨手的重量为75 kg和60 kg点荷载对称加载在截面计算。在计算时将船倒置，划手的重力方向反向后作为支座反力抵抗倒向后的船所受的重力和浮力荷载。在考虑以上荷载在纵向上的效应时，由欧拉-伯努利梁理论得到不同工况下的弯矩分布情况。其中最大正负弯矩的情况分别出现在男子双人竞速与展示的工况，由此得到最大压、拉应力均出现在船舷处。
由于4个桨手在船上对船身产生的弯矩（不考虑方向）小于2个人在船上的情况，并且将水的浮力近似为均布，反过来考虑得到如图1、图2所示模型（由于点位的转动受水面的约束，真实情况介于铰接和固接之间）。
2.3 横断面分析
轻舟断面可以模拟成一个二维U型截面梁，横截面的几何特征包括面积、形心、惯性矩，可由计算机得出。自重、浮力都将根据截面特性采用分段均布荷载的方式施加于船壁。水线位置根据阿基米德原理结合人、船重力总和确定。由于上述模型相当于实际情况把船倒置考虑的，所以我们船的断面有利于负弯矩，不利于正弯矩，又将断面进一步简化转化为如图3模型计算（单位cm）：形心距离船底部约为8 cm，只取上下两端点（设船底和船两侧分别为F1和F2，船底预应力距中性轴7 cm，船壁预应力距中性轴12 cm），则有：如图4所示，左一为载荷为两人的情况下受弯产生的应力，中间为船底预应力施加产生的应力图，右一为船壁预应力施加产生的应力图。由于水平荷载也会在船内部产生较大的弯矩，故选取水线最深工况进行水平荷载效应分析。男女混合4桨手工况下的水平荷载以均布的方式作用于船壁，仅在计算中考虑桨手对船壁的作用力的水平分项，将船段作为横向简支的“U”型构件，计算得到弯矩极值对应的最大拉、压应力，对比纵向可见，横向荷载对应力极值并不起控制作用。结合常见轻舟的裂缝分布情况以及不同工况下的应力分布情况，建议在船舷及船肋处使用抗拉能力更高的混凝土材料。
3 材料实验
3.1 实验目的
往年我们用的是碳纤维筋，但是没有完整的理论计算和系统的实验数据支持。包括预应力筋自身的强度及变形性能，与混凝土的粘结性能等，都需要进一步的探究。因此我们进行了若干次材性实验进行比较，选择更合适的预应力筋材料。
薄壁混凝土本身由于其脆性性能，很容易产生裂纹发生折断，对我们预应力施工造成了很多困难，因此我们必须采用合适的加强材料，有利于提高混凝土薄壁的强度、抗弯刚度和预应力度[1]。于是我们进行了拔出实验。
3.2 材性实驗
3.2.1 材性实验材料
（1）CFRP碳纤维增强复合材料，特点是轻质高强。常用于工程中结构因时间积累，产生结构裂缝后的体外结构加固。该次实验的CFRP有三种型号：12K-CFRP、24K-CFRP、 24K-CFRP3-7。 （2）钢绞线是由多根钢丝绞合构成的钢铁制品，和等直径钢丝相比有更好的韧性。我们选用的是直径1～3 mm的钢绞线。
3.2.2 材性实验过程
不同种预应力筋的材料力学指标对船体结构的性能有直接影响。项目进行了材性实验-单轴拉伸实验。
3.2.3 实验数据分析
如表1所示四组实验数据可见，钢绞线单轴抗拉实验可承受的最大拉力均值为639.80 kN，远高于另外三组实验结果；钢绞线单轴抗拉实验的断裂伸长率为2.68%，同样远高于另外三组，有较好的韧性。又考虑到施工过程中碳纤维筋质地脆弱很容易产生磨损，如若使用钢绞线则不需考虑材料磨损影响。故我们确定以钢绞线为主要的预应力筋材料，在非主要区域可使用碳纤维筋加以补充。
3.3 拔出实验
3.3.1 拔出实验材料
（1）玄武岩纤维，是玄武岩石料在1 450 ℃～1 500 ℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，是一种新出现的新型无机环保绿色的高性能纤维材料。
（2）玄武岩纤维土工布，是以耐碱耐酸强的玄武岩纤维为原料，编织成格栅布，再经过沥青（胶）处理后烘干成型，具有很高的抗变形能力。
（3）碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
（4）碳纤维格栅，相对素混凝土而言，在混凝土梁中铺设编织碳纤维格栅后，其抗弯强度、抗弯韧性和比强度都得到一定的提高。纤维格栅还可以克服鋼筋锈蚀和容重大的缺陷。
3.3.2 拔出实验过程
实验过程简述为：在植筋72 h后，采用拉力计（千斤顶）对所植加强材料进行拉拔实验。为减少千斤顶对锚筋附近混凝土的约束，下用槽钢或支架架空，支点距离≥max（3 d，60 mm）。然后匀速加载2～3 min，直至破坏。破坏模式分为加强材料破坏、胶筋截面破坏、混合破坏（上部混凝土锥体破坏，下部沿结构胶、混凝土界面拔出）3种，结构构件植筋，破坏模式宜控制为加强材料破坏[1]。
3.3.3 实验数据分析
如图5力-位移曲线图可见，几类不同碳纤维栅格性能均远高于玄武岩栅格，是较为良好的加强材料。其作用类似于普通混凝土中的钢筋，提高混凝土结构的抗拉抗弯能力。
4 船段实验
根据理论分析、受力分析的结论，在以往经验的基础上，采用三向预应力（增加了横向预应力），为更好地固定预应力筋采用预制构件。
在混凝土施工之前，就需要在壓实泡沫的船模上放置预制构件（如图6所示），便于控制高度、位置，拉横向和纵向的预应力筋（整船施工时还需张拉钢绞线）。此时船模应与施工平台牢固地粘结在一起，避免任何相对位移。
由于船截面形状不利于正弯矩，船舷0.5 MPa的拉应力和混凝土抗压相比（基本上在5 MPa），仅为其7%～14%，船舷处很薄弱。解决办法之一是利用抗拉强度达到5 MPa的ECC混凝土（如图7所示，纤维含量很高，抗拉性能良好），另外就是利用船壁处施加的预应力完成。如果只在船底加预应力会使船舷和船壁两侧开裂更严重，必须和两侧的预应力达到一个比值抵消掉弯曲产生的那部分应力。
我们为轻舟专门定制了7 m长的固定横向预应力的木板，并用上新的固定材料。在张拉预应力之前，对各个定位点都进行准确定位，中线用激光对准。10根相同长度的钢绞线预应力筋纵向张拉。轻舟的预应力技术突破：纵向预应力筋主要用钢绞线，并将拉力提升到2 210 N；运用了横向预应力，定制固定木板和各种固定装置，拉力为1 500 N；使用橡胶垫将横纵钢绞线进行固定；使用激光仪进行定位。
5 结语
由以上实验结合我们的工程实际，最终选择以钢绞线为预应力筋，选择碳纤维格栅作为预应力混凝土的加强材料。由于我们建模分析时采用了简化的举行模型，并且计算时的支座约束和实际有出入，实际情况与之相比略有出入，我们须适当降低要求提高容错性。另一方面，将一根筋分开为多根有明显的好处，因为实际过程中底部施加的预应力对两侧的影响已经很小，分开可以扩大影响面，并且降低了剪断钢绞线时混凝土的爆裂概率。
参考文献
[1] 尚守平，彭晖，童桦，等.预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究[J].建筑结构学报，2003，24（5）：24-30.
关键词：预应力 薄壁壳体 混凝土轻舟
中图分类号：TU755 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0063-03
1 项目背景
薄壁混凝土舟是一艘用特殊轻质混凝土建造的整体密度小于水的独木舟。该独木舟长约6 m，最宽处约0.67 m，最深处0.35 m，船壁的平均厚度为15 mm。且要求该混凝土舟至少能够承受4名成年男子桨手的重量，约为3 kN，并且在竞速工况中要求具有良好的抗折抗彎性能。
预应力混凝土的实质是采用预先加压的手段间接提高混凝土的抗拉强度，从本质上改善混凝土容易开裂的特性，这对于轻舟中的薄壁轻质混凝土来说，是十分重要的措施。但是我们在预应力方面还是有很多不足，为了保证混凝土船壁的强度和抗折抗裂性能，并且减少整船重量减薄船壁厚度，我们在预应力方面做了更多的研究。
该文在优化轻质混凝土原材料选择及配比之后，先后从预应力选材、施加技术、船段性能几个方面进行实验，改进已有的预应力技术，提高整船的抗折抗压能力。
2 理论计算
2.1 整体分析
在分析纵向预应力的效应时，将船体视为预应力薄壳体。为简化计算，将施加的总拉力在预应力筋上沿长度平均分布并分段考虑预拉应力在横、纵方向上的分力。预应力筋纵向分力的合力会对截面形心处产生一个与荷载作用相反的弯矩，从而降低了受拉区混凝土中的应力水平。同时，横向的分力与水压对外侧壁产生的压力方向恰好相反，抵消了水压引起的内力，使得混凝土应力水平进一步下降。横向上，新加入了沿长度方向平均分布的10根预应力筋，在与纵向预应力的共同作用下使混凝土接近三向受压状态，从而提高混凝土的承载力。考虑预应力布置后由于长期作用下混凝土徐变与干缩、钢筋的松弛与收缩，最终造成预应力值损失约为25%。
2.2 纵断面分析
结构分析目的是确定不同荷载作用下临界拉、压应力的大小，并据此确定合适的混凝土配合比和预应力手段，来确保轻舟能够满足以下所考虑工况下的使用要求。考虑到薄壁混凝土舟普遍发生的裂缝问题，经过计算分析后，在原有基础上新增了横向预应力的探索。
总共考虑两种工况下的作用：竞速工况和非竞速工况。在非竞速工况下，船被简化成简支梁。前者的支座被置于以船头为起点的1.5 m与4.5 m处，后者的6个支座沿长度方向对称分布。在竞速工况下，男性和女性桨手的重量为75 kg和60 kg点荷载对称加载在截面计算。在计算时将船倒置，划手的重力方向反向后作为支座反力抵抗倒向后的船所受的重力和浮力荷载。在考虑以上荷载在纵向上的效应时，由欧拉-伯努利梁理论得到不同工况下的弯矩分布情况。其中最大正负弯矩的情况分别出现在男子双人竞速与展示的工况，由此得到最大压、拉应力均出现在船舷处。
由于4个桨手在船上对船身产生的弯矩（不考虑方向）小于2个人在船上的情况，并且将水的浮力近似为均布，反过来考虑得到如图1、图2所示模型（由于点位的转动受水面的约束，真实情况介于铰接和固接之间）。
2.3 横断面分析
轻舟断面可以模拟成一个二维U型截面梁，横截面的几何特征包括面积、形心、惯性矩，可由计算机得出。自重、浮力都将根据截面特性采用分段均布荷载的方式施加于船壁。水线位置根据阿基米德原理结合人、船重力总和确定。由于上述模型相当于实际情况把船倒置考虑的，所以我们船的断面有利于负弯矩，不利于正弯矩，又将断面进一步简化转化为如图3模型计算（单位cm）：形心距离船底部约为8 cm，只取上下两端点（设船底和船两侧分别为F1和F2，船底预应力距中性轴7 cm，船壁预应力距中性轴12 cm），则有：如图4所示，左一为载荷为两人的情况下受弯产生的应力，中间为船底预应力施加产生的应力图，右一为船壁预应力施加产生的应力图。由于水平荷载也会在船内部产生较大的弯矩，故选取水线最深工况进行水平荷载效应分析。男女混合4桨手工况下的水平荷载以均布的方式作用于船壁，仅在计算中考虑桨手对船壁的作用力的水平分项，将船段作为横向简支的“U”型构件，计算得到弯矩极值对应的最大拉、压应力，对比纵向可见，横向荷载对应力极值并不起控制作用。结合常见轻舟的裂缝分布情况以及不同工况下的应力分布情况，建议在船舷及船肋处使用抗拉能力更高的混凝土材料。
3 材料实验
3.1 实验目的
往年我们用的是碳纤维筋，但是没有完整的理论计算和系统的实验数据支持。包括预应力筋自身的强度及变形性能，与混凝土的粘结性能等，都需要进一步的探究。因此我们进行了若干次材性实验进行比较，选择更合适的预应力筋材料。
薄壁混凝土本身由于其脆性性能，很容易产生裂纹发生折断，对我们预应力施工造成了很多困难，因此我们必须采用合适的加强材料，有利于提高混凝土薄壁的强度、抗弯刚度和预应力度[1]。于是我们进行了拔出实验。
3.2 材性实驗
3.2.1 材性实验材料
（1）CFRP碳纤维增强复合材料，特点是轻质高强。常用于工程中结构因时间积累，产生结构裂缝后的体外结构加固。该次实验的CFRP有三种型号：12K-CFRP、24K-CFRP、 24K-CFRP3-7。 （2）钢绞线是由多根钢丝绞合构成的钢铁制品，和等直径钢丝相比有更好的韧性。我们选用的是直径1～3 mm的钢绞线。
3.2.2 材性实验过程
不同种预应力筋的材料力学指标对船体结构的性能有直接影响。项目进行了材性实验-单轴拉伸实验。
3.2.3 实验数据分析
如表1所示四组实验数据可见，钢绞线单轴抗拉实验可承受的最大拉力均值为639.80 kN，远高于另外三组实验结果；钢绞线单轴抗拉实验的断裂伸长率为2.68%，同样远高于另外三组，有较好的韧性。又考虑到施工过程中碳纤维筋质地脆弱很容易产生磨损，如若使用钢绞线则不需考虑材料磨损影响。故我们确定以钢绞线为主要的预应力筋材料，在非主要区域可使用碳纤维筋加以补充。
3.3 拔出实验
3.3.1 拔出实验材料
（1）玄武岩纤维，是玄武岩石料在1 450 ℃～1 500 ℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，是一种新出现的新型无机环保绿色的高性能纤维材料。
（2）玄武岩纤维土工布，是以耐碱耐酸强的玄武岩纤维为原料，编织成格栅布，再经过沥青（胶）处理后烘干成型，具有很高的抗变形能力。
（3）碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
（4）碳纤维格栅，相对素混凝土而言，在混凝土梁中铺设编织碳纤维格栅后，其抗弯强度、抗弯韧性和比强度都得到一定的提高。纤维格栅还可以克服鋼筋锈蚀和容重大的缺陷。
3.3.2 拔出实验过程
实验过程简述为：在植筋72 h后，采用拉力计（千斤顶）对所植加强材料进行拉拔实验。为减少千斤顶对锚筋附近混凝土的约束，下用槽钢或支架架空，支点距离≥max（3 d，60 mm）。然后匀速加载2～3 min，直至破坏。破坏模式分为加强材料破坏、胶筋截面破坏、混合破坏（上部混凝土锥体破坏，下部沿结构胶、混凝土界面拔出）3种，结构构件植筋，破坏模式宜控制为加强材料破坏[1]。
3.3.3 实验数据分析
如图5力-位移曲线图可见，几类不同碳纤维栅格性能均远高于玄武岩栅格，是较为良好的加强材料。其作用类似于普通混凝土中的钢筋，提高混凝土结构的抗拉抗弯能力。
4 船段实验
根据理论分析、受力分析的结论，在以往经验的基础上，采用三向预应力（增加了横向预应力），为更好地固定预应力筋采用预制构件。
在混凝土施工之前，就需要在壓实泡沫的船模上放置预制构件（如图6所示），便于控制高度、位置，拉横向和纵向的预应力筋（整船施工时还需张拉钢绞线）。此时船模应与施工平台牢固地粘结在一起，避免任何相对位移。
由于船截面形状不利于正弯矩，船舷0.5 MPa的拉应力和混凝土抗压相比（基本上在5 MPa），仅为其7%～14%，船舷处很薄弱。解决办法之一是利用抗拉强度达到5 MPa的ECC混凝土（如图7所示，纤维含量很高，抗拉性能良好），另外就是利用船壁处施加的预应力完成。如果只在船底加预应力会使船舷和船壁两侧开裂更严重，必须和两侧的预应力达到一个比值抵消掉弯曲产生的那部分应力。
我们为轻舟专门定制了7 m长的固定横向预应力的木板，并用上新的固定材料。在张拉预应力之前，对各个定位点都进行准确定位，中线用激光对准。10根相同长度的钢绞线预应力筋纵向张拉。轻舟的预应力技术突破：纵向预应力筋主要用钢绞线，并将拉力提升到2 210 N；运用了横向预应力，定制固定木板和各种固定装置，拉力为1 500 N；使用橡胶垫将横纵钢绞线进行固定；使用激光仪进行定位。
5 结语
由以上实验结合我们的工程实际，最终选择以钢绞线为预应力筋，选择碳纤维格栅作为预应力混凝土的加强材料。由于我们建模分析时采用了简化的举行模型，并且计算时的支座约束和实际有出入，实际情况与之相比略有出入，我们须适当降低要求提高容错性。另一方面，将一根筋分开为多根有明显的好处，因为实际过程中底部施加的预应力对两侧的影响已经很小，分开可以扩大影响面，并且降低了剪断钢绞线时混凝土的爆裂概率。
参考文献
[1] 尚守平，彭晖，童桦，等.预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究[J].建筑结构学报，2003，24（5）：24-30.