约束对预应力混凝土塔段在压缩和弯曲荷载共同作用下的摇摆响应的影响

《Engineering Structures》：Effect of confinement on the rocking response of prestressed concrete tower segments under combined compression and bending loads

预应力混凝土塔段大截面试件约束效应研究揭示了横向配筋率、轴压比及约束类型对摇摆性能的影响规律，低配筋率（ρt=0.23%）导致承载力下降27%、延性系数降低54%；高轴压比（n=0.46）使位移峰值减少52%、延性系数下降79%。开发的WT Box计算工具可实现“预压”弯曲承载力的精准预测，与实验结果误差均低于10%。

　　

陈尚城|徐胜|王宇航|朱东平|黄晓刚

重庆大学土木工程学院，中国重庆400045

摘要

关于混凝土对预应力混凝土塔段摇摆行为约束效应的研究仍然有限。本研究开发了一种适用于大截面尺寸和无粘结后张拉（PT） tendon 的试验装置。通过测试六个接头试件，研究了配筋率、轴荷载比和约束类型对循环响应的影响。结果表明，当横向配筋率 ρ_t 从1.13%降低到0.23%时，接头开口的承载能力和延性显著下降：试件的正峰值荷载 F_p 减少了27%，延性系数 u 下降了54%。相反，较高的轴荷载比虽然抑制了接头开口，但降低了变形和能量耗散能力。随着轴压缩比 n 从0.23增加到0.46，试件的正峰值位移 Δ_p 减少了52%，延性系数 u 下降了79%。此外，还开发了一种名为 WT Box 的计算工具，用于预测卸压后的抗压-抗弯能力。预测的“屈服”弯矩与实验结果非常吻合，所有试件的差异均低于10%。

引言

风能因其丰富性、可获取性和可再生性，已成为全球能源转型的基石。随着涡轮机尺寸和塔架高度的不断增加，支撑结构必须具备高刚性、稳定性和承载能力 [1]。近年来，钢-混凝土混合塔在陆上风电项目中得到了广泛应用，这得益于其结构和经济优势 [2]、[3]、[4]、[5]。如图1所示，混凝土部分是在现场使用无粘结后张拉（PT） tendon 组装的预制段构成的，这导致水平接头处的钢筋分布不连续。

这些接头的横向抗力主要依赖于 tendon 中的预应力，因为粘结材料没有显著的抗拉能力 [6]。在涡轮机荷载引起的较大弯矩作用下，这种抗力可能会受到削弱，可能导致接头部分开口、非线性刚度下降，甚至整个塔架倒塌 [7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。与分段桥墩或剪力墙 [15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22] 类似，段端处的约束钢筋对于防止塔架摇摆时混凝土压碎至关重要。以往的研究通过小规模实验提供了对分段混凝土塔行为的了解 [23]、[24]、[25]、[26]；然而，大多数研究受到尺寸效应的限制（例如，试件直径小于650毫米），这可能会改变实际的钢筋细节（例如，使用了小直径的钢丝），并改变直径-高度比，从而扭曲了接头开口与应力重分布之间的关系。此外，以往研究中使用的短钢 tendon（例如，长度不超过2600毫米）在接头开口时会导致预应力变化较大 [24]，从而使得实验结果的解释变得复杂。

为了明确混凝土对预应力混凝土塔段摇摆行为的约束效应，本研究提出了一种使用无粘结后张拉 tendon 的大规模试验装置。六个接头试件接受了抗压-抗弯试验，以配筋率、轴荷载比和约束类型作为变量，定量评估水平接头的开口-闭合行为和摇摆机制。此外，还开发了一种名为 WT Box 的计算工具，用于在考虑混凝土约束效应的情况下评估抗压-抗弯能力，并通过实验结果进行了验证。

部分内容摘录

加载方案

作为一种典型的高层结构，风力涡轮机塔需要承受上部组件的重力荷载和 tendon 的预应力，同时抵抗显著的横向风荷载和涡轮机引起的动态运行荷载。因此，弯矩随高度显著增加，而剪力则逐渐增大（图2a）。这导致弯矩-剪力比随高度显著增加。因此，塔架的截面设计主要受到...

试验现象和失效模式

试验方案用于评估六个试件，向上顶推定义为正荷载，向下拉力定义为负荷载。根据Roh等人的研究 [30]，弹性极限荷载对应于极端压缩时的0.16%压缩应变。所有RC试件都出现了接头开口现象，随后在压缩区域发生了混凝土压碎。横向/纵向配筋率和轴荷载比的变化导致了不同的接头间隙宽度及混凝土压碎情况...

预测的接头响应

以往的研究主要依赖于精细化的有限元模型来预测预应力混凝土塔段的摇摆响应。尽管这种方法有效，但在同时考虑网格细化、材料非线性、几何非线性和接触非线性方面存在计算成本高的问题 [32]、[33]。为了克服这些限制，本研究提出了一种高效的计算工具 WT Box 来捕捉材料的软化行为...

结论

本研究基于四点弯曲试验原理开发了一种循环抗压-抗弯试验装置，能够同时适应大截面接头和长 tendon 配置。设计了六个接头试件，以研究配筋率、轴荷载比和约束类型对水平接头开口-闭合行为和摇摆机制的影响。此外，还开发了 WT Box 软件来预测抗压-抗弯能力...

CRediT作者贡献声明

徐胜：撰写 – 审稿与编辑，软件部分。陈尚城：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，软件部分，方法论设计。朱东平：指导与概念构思。王宇航：指导与审稿。黄晓刚：撰写 – 审稿与编辑，验证工作，资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢‘国家重点研发计划’（2024YFE0208600）、‘国家自然科学基金’（52378478）、‘重庆市自然科学基金’（CSTB2023NSCQ-MSX0650）以及‘中央高校基本科研业务费’（2024CDJYXTD-005）提供的财政支持。