[发明专利]一种预测混凝土顺筋开裂后预应力损失方法

权利要求书

1.一种预测混凝土顺筋开裂后预应力损失方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预测混凝土锈胀开裂：根据构件基本尺寸，确定几何参数取值，采用厚壁薄筒理论对混凝土的锈胀开裂进行模拟，锈胀开裂过程中，通过开裂混凝土的剩余拉应力和未开裂混凝土的约束力对锈胀力进行预测；

混凝土锈胀开裂过程中，锈胀力的计算如下：

保护层开裂前，锈胀力主要由开裂混凝土的剩余拉应力和未开裂混凝土的约束力共同抵抗，钢绞线-混凝土界面间的锈胀力P_c表示为公式(1)：

式中，R₀为锈蚀前钢丝的半径，P_u为开裂和未开裂混凝土交界面位置的锈胀力，R_u为开裂混凝土的半径，r为开裂混凝土区域的位置，σ_θ(r)为开裂混凝土的环向应力；

保护层开裂后，锈胀力主要由开裂混凝土的剩余拉应力来抵抗，钢绞线-混凝土界面间的锈胀力P_c表示为公式(2)：

(2)分析锈蚀钢绞线粘结强度退化：建立钢绞线与混凝土界面间胶着力、约束力和锈胀力的表达式，分析钢绞线锈蚀对混凝土开裂及粘结退化因素的影响，进而计算锈蚀钢绞线粘结强度；

锈蚀钢绞线粘结强度的计算如下：

锈蚀钢绞线的粘结强度主要由钢绞线与混凝土交界面间的胶着力、约束力和锈胀力来提供，其表达式为公式(3)：

τ_η＝τ_a+τ_b+τ_c

式中，τ_η为锈蚀钢绞线的粘结应力，τ_a为锈胀力引起的粘结应力，τ_b为交界面间的胶着力，τ_c为交界面间的约束力；

锈蚀钢绞线与混凝土交界面锈胀力引起的粘结应力表示为公式(4)：

τ_a＝k_cp_c

式中，k_c为锈蚀钢绞线与混凝土界面间的摩擦系数；

锈蚀钢绞线与混凝土交界面间的胶着力表达为公式(5)：

式中，k为同一截面上钢绞线的横肋数目，A_r为横肋面积，D为锈蚀钢绞线直径，δ为横肋与钢绞线轴线间的夹角，θ为钢绞线与混凝土间的摩擦角，s_r为横肋间距，f_coh为界面间胶着力系数；

锈蚀钢绞线与混凝土交界面间周围混凝土的约束力表达为公式(6)：

式中，C_r为横肋的形状系数，p_x为失效时钢绞线所受的最大压力；

(3)评估锈蚀引起的预应力损失：将先张混凝土构件离散为多个微分单元，分析锈蚀钢绞线的内部应力传递规律，考虑混凝土锈胀开裂及粘结退化因素的影响，基于应变协调及受力平衡方程建立锈蚀先张混凝土构件有效预应力的计算方法，进而对锈蚀预应力损失进行评估；

锈蚀先张混凝土构件有效预应力的计算方法如下：

将1/2的先张混凝土构件离散为多个微分单元，微分单元编号为1到n，对于单元i，其内部钢绞线的应力f_p,i表示为公式(7)：

f_p,i＝f_p,i+1-Δf_p,i

式中，Δf_p,i为锈蚀钢绞线单元i的局部应力变量，1≤i≤n；

单元i的局部应力变量Δf_p,i表示为公式(8)：

式中，τ_η为锈蚀钢绞线的粘结应力；l_i为单元长度；A_p,i(η)为单元i位置处锈蚀钢绞线的剩余截面积，R_ρ,i为单元i位置处锈蚀钢丝的剩余半径；

对于锈蚀先张预应力混凝土构件，构件端部位置处钢绞线的应力为0，即f_p,1＝0，单元i位置处钢绞线的张拉应力f_p,i表示为公式(9)：

单元i位置处锈蚀钢绞线的张拉力T_p,i表示为公式(10)：

T_p,i＝f_p,iA_p,i(η)

单元i位置处钢绞线锈蚀前后的应变变化Δε_p,i表示为公式(11)：

式中，T_pi为未锈蚀钢绞线的初始预加力，E_p为钢绞线的弹性模量；

锈蚀钢绞线的内部应力沿构件方向逐渐增加直至达到有效预应力，当锈蚀钢绞线的应力达到有效预应力时，钢绞线位置处混凝土的应变变化Δε_c,i需等于锈蚀钢绞线的应变变化Δε_p,i以满足应变协调关系，其关系为公式(12)：

Δε_c,i＝Δε_p,i

当锈蚀钢绞线的应力达到有效预应力时，预应力钢绞线、混凝土和普通钢筋的合力需满足平衡方程，表示为公式(13)：

C_i+F′_s,i-T_p,i-F_s,i＝0

式中，C_i为单元i位置处混凝土的合力，F_s,i和F′_s,i分别为单元i位置处受拉区和受压区普通钢筋的合力；

考虑混凝土锈胀开裂及粘结退化因素的影响，基于应变协调关系及受力平衡方程建立锈蚀先张混凝土构件有效预应力的计算方法，进而对锈蚀预应力损失进行评估。