铁路桥梁钢筋混凝土构件抗弯可靠度研究.pdf
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1、第 9卷第 4期 2 0 1 2年 8月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L WAY SCI E NCE AND E NGl NEE Rl NG VO 1 9 NO 4 Au g2 0 1 2 铁 路桥梁钢筋混凝土构件抗弯可靠度研究 周慧芳 。 贡金鑫 。 张玉玲。 。 刘晓光 ( 1 大连理工大学 土木工程 学院, 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ; 2 铁道科 学研究院, 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要: 研究钢筋混凝土铁路桥梁受弯构件可靠指标, 讨论可靠指标随配筋率以及恒荷载与活荷载标准值比值的变化; 确 定受弯构件可靠指标的范围。基于现行铁路混凝土桥梁规
2、范的容许应力法, 得到钢筋混凝土桥梁受弯构件抗力的统计参 数, 计算表明钢筋混凝土铁路桥梁的可靠指标为5 8 6 5 。 关键词: 铁路桥梁; 钢筋混凝土; 受弯构件; 可靠指标 中图分类号: U 4 4 2 5 1 文献标志码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 0 8 0 6 St u d y o n f l e x u r a l r e l i a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e me mb e r o f r a i l wa y b r i d g e Z
3、HOU Hu i f a n g ,GON G J i n x i n ,Z HA NG Y u 1 i n g 。 ,L I U X i a o g u a n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ,C h i n a 2 C h i n a A c a d e my o f R a i l w a y S c i e n c e s , B e i j i
4、n g 1 0 0 0 8 1 , C h i n a ) Abs t r a c t: Th e r e l i a b i l i t y i n d e x a n d i t s v a r i a t i o n we r e s t u d i e d r a n g e o f t h e RC f l e x u r a l me mbe r o f t h e r a i l wa y b ridg e wi t h t h e r e i n f o r c e me n t r a t i o a s we l l a s t h e r a t i o o f c h
5、a r a c t e ris t i c v a l u e o f d e a d l o a d a n d l i v e l o a dBa s e d o n t h e a l l o wa b l e s t r e s s me t h o d i n t h e c u r r e n t c o d e f o r t he d e s i g n o n r e i n f o r c e d a n d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e o f r a i l wa y b ridg e a
6、 n d c u l v e r t ,t h e r e s i s t a n c e s t a t i s t i c a l p a r a me t e r s o f fle x u r al me mbe r o f r a i l wa y b rid g e we r e c a l c u l a t e dT he r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e l i a b i l i t y i n d e x o f t h e RC fle x u r a l me mb e r o f t h e r a i l wa y b
7、 rid g e i s f r o m 5 8 t o 6 5 Ke y wo r ds: r a i l wa y b rid g e;r e i n f o r c e d c o n c r e t e;fle x u r a l me mb e r ;r e l i a bi l i t y 近年来 , 我国铁路工程高速发展 , 机车及相关 的现代化设备不断更新 , 高速列车的运行速度已达 3 0 0 k m h以上。然而 , 与此不相适应的是 , 我 国铁 路桥梁的设计方法多年来没有改进 。从 国际上看 , 工程结构设计正向概率极限设计方法方 向发展 , 新 近颁布的欧洲结构规范
8、( 包括铁路桥梁设计 ) 采 用了概率极限状态设计体系 ; 在美 国, 建筑规范 和公路桥梁规范 也采 用了概率极限设计方法。 对于铁路混凝土铁路桥梁 , 美国铁路工程师协会手 册 A R E MA_ 4 提供 了使 用荷载设计法和荷 载系数 设计法 2种方法。其 中荷载系数设计法属于极 限 状态设计法, 虽然荷载系数和抗力系数不是采用概 率方法确定的, 但不同荷载和不同的破坏方式荷载 系数和抗力系数采用不同的值 , 概念上要比使用荷 载法( 相 当于容许应力法) 合理 ; 2 0世纪 9 0年代 , 我国建筑 J 、 港 口_ 6 J 、 公路【 和水利水电 工程结 构也以相应的可靠度统一标
9、准为基础, 实现了由定 值设计法向概率极限状态设计法的转轨; 2 0世纪 8 0年代 , 我 国曾在铁路桥梁可靠度研究方面做 了 大量工作 , 并编制了 铁路工程结构可靠度设 计统一标准 , 但 由于各种原 因, 铁路结构设计 规范并没有在该标准的协调下完成 由容许应力设 计法或安全系数设计法 向概率极 限状态设计方法 的过渡, 只有 铁路隧道规范 作为一种可选用 方法提供了按概率极限状态进行设计 的方法。迄 今为止 , 我国铁路混凝土桥梁设计仍采用容许应力 法 , 预应力 昆凝土桥梁 设计采用 安全 系数 法 。 为推动铁路工程设计方法的全面发展 , 铁道部近期 收稿 日期 : 2 0 1
10、2 0 4 0 1 基金项 目: 铁道部科技开发计划项 目( 2 0 1 0 G 0 0 1一C ) 作者简介 : 周 慧芳 ( 1 9 8 5一) , 女 , 河北承德人 , 硕士研究生 , 从事铁道桥梁 可靠性研究 第 4期 周慧芳, 等: 铁路桥梁钢筋混凝土构件抗弯可靠度研究 9 正在积极推动铁路工程结构概率 极限状态设计方 法 的研究。本文对现行铁路混凝 土桥梁规范 中混 凝土构件的抗弯可靠度进行分析 。 1 现行铁路混凝土桥梁构件的抗弯 设计方法 按照我国铁路铁路混凝土规范的规定 , 钢筋混 凝土构件采用容许应力法设计 。这时 , 混凝土应力 按照三角形分布考虑 , 如 图 1所示
11、, 钢筋拉应力和 混凝土外缘压应力应 同时满足下列公式 : 中和j l ; 式 中: R 为 由钢筋容许应力确定 的抗 弯承载力 ; R 为 由混凝土容许应力确定的抗弯承载力 。 式( 4 ) 与式 ( 5 ) 相比得 : 一Rs k : 二 : : R 靠 ( 1 一 了k 2 c 一 ( 6 ) ( p n ) +Z p np n l c J 令p 。 = ( 其中 = 丽L o J ) ,则当pP n时, R R 2 极 限状 态和极 限状态 承载力 图 1 我国规范采用的换算截面及应 力分布 Fi g 1 T r a n s f o r me d s e c t i o n a n d
12、 s t r e s s d i s t r i b u t i o n u s e d i n t h e s p e c i f i c a t i o n O r s :n M : 一 Or s ( 1 ) 一 2 ) 酉 式 中: 为荷载产生 的弯矩 ; 为构件钢筋容 许应力 ; 为构件混凝土容许应力 ; 和 为 混凝土受压边缘及对所验算的受拉钢筋 中心处的 换算截面抵抗矩 ; n为钢筋的弹性模量与混凝土的 变形模量之 比, 即 E E ; 为截面混凝 土受压区高 度系数 。 如 图 1所示 , 由截面力 的平衡得 : : n A 一k ) hn A t t o 一 s l一 解 得
13、: k= ( p n ) +2 p np n ( 3 ) 式 中: P为受拉钢筋配筋率 , P =A ( b h 。 ) 。 根据式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) , 按容许 应力 法表示 的抗 弯承载力为下面两式 中的小者 : R = f 1 一 告) A h 。 ( 4 ) = ( 1 一 ) 6 o rc ( 5 ) 2 1 极限状态承载力 对结构进行极限状态设计 , 首先要 明确结构 的 极限状态 。按照 铁路工程结构可靠度设计 统一 标准 的规定, 极限状态包括承载能力极限状态和 正常使用极限状态。承载能力极 限状 态反 映了结 构或结构构件最终的破坏方式 , 统一标准给出了结 构或
14、结构构件达到极限状 态的标志。对 于钢筋混 凝土构件的抗弯 , 极 限状态是 : ( 1 ) 纵 向受拉钢筋 首先屈服 , 之后 边缘受压混凝 土达 到极 限压应变 ( 适筋构件 , 图 2 ( a ) ) ; ( 2 ) 纵 向受拉钢筋未屈服而 边缘受压混凝土先达到极限压应变 ( 超筋构件 , 图 2 ( b ) ) 。 l ( a ) 适筋构件 ;( b ) 超筋构件 图 2适筋梁和超筋梁的截 面应 变分布 Fi g 2 S t r a i n d i s t r i b u t i o n o f u n d e r r e i n f o r c e d a n d o v e r r
15、 e i n - f o r c e d b e a ms 钢筋混凝 土受弯构件承载力的计算理论 已经 比较成熟 , 在建筑 、 公路桥梁 、 港工 、 水工等领域 , 尽 管国内外规范采用的设计参数不同, 但计算采用的 模型基本是一致 的, 即在平截面假定的基础 上, 极 限状态时将曲线受混凝土应力分布等效成矩形应 力分布 , 如图 2所示。对应于第 1 种极限状态的抗 弯承载力计算公式为 : 1 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年 8月 = A ,f y ( h 。 一 号 ) 其 中等效矩形应力的混凝土受压区高度 由下式 确定 : b x=f y A ( 8 ) 由
16、( 8 ) 解出 代入式( 7 ) 得 : R : A d Cy ( h 。 一 A y ,I ( 9 ) 式 中: A 为受 拉钢筋截 面面积 ; f y为钢筋屈服强 度; 为混凝土抗压强度; h 。 为截面有效高度; b 为构件宽度 ; O l 为反映混凝土脆性的系数 , 按建筑 规范 , 当混凝土等级不超过 C 5 0时, O t =1 0 。 对于第 2种极限状态 , 由于受拉钢筋未屈服边 缘受压混凝 土先 压碎 , 属于无任何 预兆的脆性破 坏 , 按极限状态设计规范的规定不允许 出现这种破 坏方式。但现行的铁路混凝土桥梁规范采用仍容 许应力设计法 , 容许应力方法只是设计采用的一种
17、 方法 , 按弹性状态考虑 , 材料达到规定 的容许 应力 值并不代表结构会发生破坏 , 也不是按钢筋应力达 到 = 设计构件就最终发生第 1种方式的 破坏 , 按混凝土应力达到 IT = 设计构件就最 终发生第种方式的破坏 , 也可能出现按钢筋应力 达到 = 设计构件最终发生第 2种方式的 破坏 , 按? 昆 凝土应力达到 = 设计构件最终 发生第 1 种方式 的破坏。所以, 研究按容许应力法 设计 的铁路混凝土桥梁可靠度时 , 必须考虑发生第 2种破坏方式的情况。 发生第 2种破坏方式时构件的抗弯承载力为 R = 叫h 。 一 ) ( 1 0 ) 因为发生第 2 种破坏方式时钢筋未屈服,
18、假定 其应力为 , 根据截面力平衡和平截面假定得 : r J c b A 0 8 E ( 1 1 ) 【 由式 ( 1 1 ) 得 : 1 ( ( e c E P ) + 3 2 o z E P 。 E ,p ) ( 1 2 ) 式中: 为混凝土相对受压区高度 ; E 为钢筋弹性 模量 ; 占 为混凝 土极 限压应变 , 取 0 0 0 3 。所 以, 按照第 2种破坏方式计算的构件抗弯承载力为 : R = 6 ( 1 一 ) ( 1 3 ) 极限状态方程 根据可靠度理论 , 铁路钢筋混凝土桥梁抗弯的 极限状态方程可表示为 : Z = KR SG。一5G :一( 1+ ) S Q=0 ( 1
19、4 ) 式 中: 为抗力 ; K为 的计算模 式不确定 性系 数 ; S c , 为恒荷载效应 ; S G , 为附加恒荷载效应 ; S o 为活荷载效应 ; 1+ 为动力系数 , 根据文献按下式 计算 : 1+ :1 0 1 4+ 旦 、 ? l p 一 0 。 2 z 为跨 度 ( m) 。R为 和 中的小者 , 即 R = mi n ( R , R ) , 所以, Z 0的事件等效于 Z 0和 Z 0两者之一发生的事件 , 即Z 0 L J Z 0, 其 中 Z =KR 一S G 5 G , 一( 1+ ) Q ( 1 5 ) Z。= K R 一SG 一 SG , 一 ( 1+ ) S
20、口=0 ( 1 6 ) 式中: K 为以受拉钢筋先屈服之后混凝 土压碎为 破坏特征的承载力计算模式不确定性系数 ; 为 以受压混凝土先压碎为破坏特征的承载力计算模 式不确定性系数。 按 z 0 U Z 。P o) ( PP 0) ( P) P o) 按照表 2中的抗力组合和表 l中的统计参数 , 可按文献 1 7 根据基本 随机变量的统计参数近似 确定综合随机变量的统计参数 , 表 3所示为构件抗 力的均值系数和变异系数。 表 3 基本随机变量的统计参数和概率分布 Ta b l e 3 Th e p a r a me t e r s a n d d i s t r i b u t i o n
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