關(guān)于薄壁混凝土舟預(yù)應(yīng)力施加的研究

譚禮+翁梓航+李晨靜

摘 要：薄壁混凝土舟是一艘由特殊輕質(zhì)混凝土建造的整體密度小于水的獨(dú)木舟。預(yù)應(yīng)力技術(shù)在薄壁混凝土舟中對(duì)提高船壁強(qiáng)度及整體剛度有重要作用。該文在原有預(yù)應(yīng)力施工方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，對(duì)不同輕質(zhì)混凝土配比、不同張拉材料、不同張拉方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，最后總結(jié)出最優(yōu)施加方式：以鋼絞線作為縱向預(yù)應(yīng)力筋，碳纖維作為橫向預(yù)應(yīng)力筋，同時(shí)采用碳纖維柵格網(wǎng)作為加強(qiáng)材料。選擇以鋼絞線為預(yù)應(yīng)力筋，選擇碳纖維格柵作為預(yù)應(yīng)力混凝土的加強(qiáng)材料。由于我們建模分析時(shí)采用了簡(jiǎn)化的舉行模型，并且計(jì)算時(shí)的支座約束和實(shí)際有出入，實(shí)際情況與之相比略有出入，我們須適當(dāng)降低要求提高容錯(cuò)。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力 薄壁殼體 混凝土輕舟

中圖分類號(hào)：TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0063-03

1 項(xiàng)目背景

薄壁混凝土舟是一艘用特殊輕質(zhì)混凝土建造的整體密度小于水的獨(dú)木舟。該獨(dú)木舟長(zhǎng)約6 m，最寬處約0.67 m，最深處0.35 m，船壁的平均厚度為15 mm。且要求該混凝土舟至少能夠承受4名成年男子槳手的重量，約為3 kN，并且在競(jìng)速工況中要求具有良好的抗折抗彎性能。

預(yù)應(yīng)力混凝土的實(shí)質(zhì)是采用預(yù)先加壓的手段間接提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，從本質(zhì)上改善混凝土容易開(kāi)裂的特性，這對(duì)于輕舟中的薄壁輕質(zhì)混凝土來(lái)說(shuō)，是十分重要的措施。但是我們?cè)陬A(yù)應(yīng)力方面還是有很多不足，為了保證混凝土船壁的強(qiáng)度和抗折抗裂性能，并且減少整船重量減薄船壁厚度，我們?cè)陬A(yù)應(yīng)力方面做了更多的研究。

該文在優(yōu)化輕質(zhì)混凝土原材料選擇及配比之后，先后從預(yù)應(yīng)力選材、施加技術(shù)、船段性能幾個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)已有的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，提高整船的抗折抗壓能力。

2 理論計(jì)算

2.1 整體分析

在分析縱向預(yù)應(yīng)力的效應(yīng)時(shí)，將船體視為預(yù)應(yīng)力薄殼體。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將施加的總拉力在預(yù)應(yīng)力筋上沿長(zhǎng)度平均分布并分段考慮預(yù)拉應(yīng)力在橫、縱方向上的分力。預(yù)應(yīng)力筋縱向分力的合力會(huì)對(duì)截面形心處產(chǎn)生一個(gè)與荷載作用相反的彎矩，從而降低了受拉區(qū)混凝土中的應(yīng)力水平。同時(shí)，橫向的分力與水壓對(duì)外側(cè)壁產(chǎn)生的壓力方向恰好相反，抵消了水壓引起的內(nèi)力，使得混凝土應(yīng)力水平進(jìn)一步下降。橫向上，新加入了沿長(zhǎng)度方向平均分布的10根預(yù)應(yīng)力筋，在與縱向預(yù)應(yīng)力的共同作用下使混凝土接近三向受壓狀態(tài)，從而提高混凝土的承載力?？紤]預(yù)應(yīng)力布置后由于長(zhǎng)期作用下混凝土徐變與干縮、鋼筋的松弛與收縮，最終造成預(yù)應(yīng)力值損失約為25%。

2.2 縱斷面分析

結(jié)構(gòu)分析目的是確定不同荷載作用下臨界拉、壓應(yīng)力的大小，并據(jù)此確定合適的混凝土配合比和預(yù)應(yīng)力手段，來(lái)確保輕舟能夠滿足以下所考慮工況下的使用要求?？紤]到薄壁混凝土舟普遍發(fā)生的裂縫問(wèn)題，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析后，在原有基礎(chǔ)上新增了橫向預(yù)應(yīng)力的探索。

總共考慮兩種工況下的作用：競(jìng)速工況和非競(jìng)速工況。在非競(jìng)速工況下，船被簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁。前者的支座被置于以船頭為起點(diǎn)的1.5 m與4.5 m處，后者的6個(gè)支座沿長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ分布。在競(jìng)速工況下，男性和女性槳手的重量為75 kg和60 kg點(diǎn)荷載對(duì)稱加載在截面計(jì)算。在計(jì)算時(shí)將船倒置，劃手的重力方向反向后作為支座反力抵抗倒向后的船所受的重力和浮力荷載。在考慮以上荷載在縱向上的效應(yīng)時(shí)，由歐拉-伯努利梁理論得到不同工況下的彎矩分布情況。其中最大正負(fù)彎矩的情況分別出現(xiàn)在男子雙人競(jìng)速與展示的工況，由此得到最大壓、拉應(yīng)力均出現(xiàn)在船舷處。

由于4個(gè)槳手在船上對(duì)船身產(chǎn)生的彎矩（不考慮方向）小于2個(gè)人在船上的情況，并且將水的浮力近似為均布，反過(guò)來(lái)考慮得到如圖1、圖2所示模型（由于點(diǎn)位的轉(zhuǎn)動(dòng)受水面的約束，真實(shí)情況介于鉸接和固接之間）。

2.3 橫斷面分析

輕舟斷面可以模擬成一個(gè)二維U型截面梁，橫截面的幾何特征包括面積、形心、慣性矩，可由計(jì)算機(jī)得出。自重、浮力都將根據(jù)截面特性采用分段均布荷載的方式施加于船壁。水線位置根據(jù)阿基米德原理結(jié)合人、船重力總和確定。由于上述模型相當(dāng)于實(shí)際情況把船倒置考慮的，所以我們船的斷面有利于負(fù)彎矩，不利于正彎矩，又將斷面進(jìn)一步簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)化為如圖3模型計(jì)算（單位cm）：形心距離船底部約為8 cm，只取上下兩端點(diǎn)（設(shè)船底和船兩側(cè)分別為F1和F2，船底預(yù)應(yīng)力距中性軸7 cm，船壁預(yù)應(yīng)力距中性軸12 cm），則有：如圖4所示，左一為載荷為兩人的情況下受彎產(chǎn)生的應(yīng)力，中間為船底預(yù)應(yīng)力施加產(chǎn)生的應(yīng)力圖，右一為船壁預(yù)應(yīng)力施加產(chǎn)生的應(yīng)力圖。由于水平荷載也會(huì)在船內(nèi)部產(chǎn)生較大的彎矩，故選取水線最深工況進(jìn)行水平荷載效應(yīng)分析。男女混合4槳手工況下的水平荷載以均布的方式作用于船壁，僅在計(jì)算中考慮槳手對(duì)船壁的作用力的水平分項(xiàng)，將船段作為橫向簡(jiǎn)支的“U”型構(gòu)件，計(jì)算得到彎矩極值對(duì)應(yīng)的最大拉、壓應(yīng)力，對(duì)比縱向可見(jiàn)，橫向荷載對(duì)應(yīng)力極值并不起控制作用。結(jié)合常見(jiàn)輕舟的裂縫分布情況以及不同工況下的應(yīng)力分布情況，建議在船舷及船肋處使用抗拉能力更高的混凝土材料。

3 材料實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

往年我們用的是碳纖維筋，但是沒(méi)有完整的理論計(jì)算和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。包括預(yù)應(yīng)力筋自身的強(qiáng)度及變形性能，與混凝土的粘結(jié)性能等，都需要進(jìn)一步的探究。因此我們進(jìn)行了若干次材性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，選擇更合適的預(yù)應(yīng)力筋材料。

薄壁混凝土本身由于其脆性性能，很容易產(chǎn)生裂紋發(fā)生折斷，對(duì)我們預(yù)應(yīng)力施工造成了很多困難，因此我們必須采用合適的加強(qiáng)材料，有利于提高混凝土薄壁的強(qiáng)度、抗彎剛度和預(yù)應(yīng)力度[1]。于是我們進(jìn)行了拔出實(shí)驗(yàn)。

3.2 材性實(shí)驗(yàn)

3.2.1 材性實(shí)驗(yàn)材料

（1）CFRP碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，特點(diǎn)是輕質(zhì)高強(qiáng)。常用于工程中結(jié)構(gòu)因時(shí)間積累，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫后的體外結(jié)構(gòu)加固。該次實(shí)驗(yàn)的CFRP有三種型號(hào)：12K-CFRP、24K-CFRP、 24K-CFRP3-7。

（2）鋼絞線是由多根鋼絲絞合構(gòu)成的鋼鐵制品，和等直徑鋼絲相比有更好的韌性。我們選用的是直徑1～3 mm的鋼絞線。

3.2.2 材性實(shí)驗(yàn)過(guò)程

不同種預(yù)應(yīng)力筋的材料力學(xué)指標(biāo)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的性能有直接影響。項(xiàng)目進(jìn)行了材性實(shí)驗(yàn)-單軸拉伸實(shí)驗(yàn)。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

如表1所示四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，鋼絞線單軸抗拉實(shí)驗(yàn)可承受的最大拉力均值為639.80 kN，遠(yuǎn)高于另外三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果；鋼絞線單軸抗拉實(shí)驗(yàn)的斷裂伸長(zhǎng)率為2.68%，同樣遠(yuǎn)高于另外三組，有較好的韌性。又考慮到施工過(guò)程中碳纖維筋質(zhì)地脆弱很容易產(chǎn)生磨損，如若使用鋼絞線則不需考慮材料磨損影響。故我們確定以鋼絞線為主要的預(yù)應(yīng)力筋材料，在非主要區(qū)域可使用碳纖維筋加以補(bǔ)充。

3.3 拔出實(shí)驗(yàn)

3.3.1 拔出實(shí)驗(yàn)材料

（1）玄武巖纖維，是玄武巖石料在1 450 ℃～1 500 ℃熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維，是一種新出現(xiàn)的新型無(wú)機(jī)環(huán)保綠色的高性能纖維材料。

（2）玄武巖纖維土工布，是以耐堿耐酸強(qiáng)的玄武巖纖維為原料，編織成格柵布，再經(jīng)過(guò)瀝青（膠）處理后烘干成型，具有很高的抗變形能力。

（3）碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

（4）碳纖維格柵，相對(duì)素混凝土而言，在混凝土梁中鋪設(shè)編織碳纖維格柵后，其抗彎強(qiáng)度、抗彎韌性和比強(qiáng)度都得到一定的提高。纖維格柵還可以克服鋼筋銹蝕和容重大的缺陷。

3.3.2 拔出實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述為：在植筋72 h后，采用拉力計(jì)（千斤頂）對(duì)所植加強(qiáng)材料進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)。為減少千斤頂對(duì)錨筋附近混凝土的約束，下用槽鋼或支架架空，支點(diǎn)距離≥max（3 d，60 mm）。然后勻速加載2～3 min，直至破壞。破壞模式分為加強(qiáng)材料破壞、膠筋截面破壞、混合破壞（上部混凝土錐體破壞，下部沿結(jié)構(gòu)膠、混凝土界面拔出）3種，結(jié)構(gòu)構(gòu)件植筋，破壞模式宜控制為加強(qiáng)材料破壞[1]。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

如圖5力-位移曲線圖可見(jiàn)，幾類不同碳纖維柵格性能均遠(yuǎn)高于玄武巖柵格，是較為良好的加強(qiáng)材料。其作用類似于普通混凝土中的鋼筋，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉抗彎能力。

4 船段實(shí)驗(yàn)

根據(jù)理論分析、受力分析的結(jié)論，在以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用三向預(yù)應(yīng)力（增加了橫向預(yù)應(yīng)力），為更好地固定預(yù)應(yīng)力筋采用預(yù)制構(gòu)件。

在混凝土施工之前，就需要在壓實(shí)泡沫的船模上放置預(yù)制構(gòu)件（如圖6所示），便于控制高度、位置，拉橫向和縱向的預(yù)應(yīng)力筋（整船施工時(shí)還需張拉鋼絞線）。此時(shí)船模應(yīng)與施工平臺(tái)牢固地粘結(jié)在一起，避免任何相對(duì)位移。

由于船截面形狀不利于正彎矩，船舷0.5 MPa的拉應(yīng)力和混凝土抗壓相比（基本上在5 MPa），僅為其7%～14%，船舷處很薄弱。解決辦法之一是利用抗拉強(qiáng)度達(dá)到5 MPa的ECC混凝土（如圖7所示，纖維含量很高，抗拉性能良好），另外就是利用船壁處施加的預(yù)應(yīng)力完成。如果只在船底加預(yù)應(yīng)力會(huì)使船舷和船壁兩側(cè)開(kāi)裂更嚴(yán)重，必須和兩側(cè)的預(yù)應(yīng)力達(dá)到一個(gè)比值抵消掉彎曲產(chǎn)生的那部分應(yīng)力。

我們?yōu)檩p舟專門定制了7 m長(zhǎng)的固定橫向預(yù)應(yīng)力的木板，并用上新的固定材料。在張拉預(yù)應(yīng)力之前，對(duì)各個(gè)定位點(diǎn)都進(jìn)行準(zhǔn)確定位，中線用激光對(duì)準(zhǔn)。10根相同長(zhǎng)度的鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋縱向張拉。輕舟的預(yù)應(yīng)力技術(shù)突破：縱向預(yù)應(yīng)力筋主要用鋼絞線，并將拉力提升到2 210 N；運(yùn)用了橫向預(yù)應(yīng)力，定制固定木板和各種固定裝置，拉力為1 500 N；使用橡膠墊將橫縱鋼絞線進(jìn)行固定；使用激光儀進(jìn)行定位。

5 結(jié)語(yǔ)

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)合我們的工程實(shí)際，最終選擇以鋼絞線為預(yù)應(yīng)力筋，選擇碳纖維格柵作為預(yù)應(yīng)力混凝土的加強(qiáng)材料。由于我們建模分析時(shí)采用了簡(jiǎn)化的舉行模型，并且計(jì)算時(shí)的支座約束和實(shí)際有出入，實(shí)際情況與之相比略有出入，我們須適當(dāng)降低要求提高容錯(cuò)性。另一方面，將一根筋分開(kāi)為多根有明顯的好處，因?yàn)閷?shí)際過(guò)程中底部施加的預(yù)應(yīng)力對(duì)兩側(cè)的影響已經(jīng)很小，分開(kāi)可以擴(kuò)大影響面，并且降低了剪斷鋼絞線時(shí)混凝土的爆裂概率。

參考文獻(xiàn)

[1] 尚守平，彭暉，童樺，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維布材加固混凝土受彎構(gòu)件的抗彎性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24（5）：24-30.