配筋混凝土箱梁长期受力性能的比拟杆分析.pdf
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1、第 3 4卷第 8 期 2 0 1 2年 8月 铁 道 学 报 J OURNM OF THE CHI NA RAI LW AY S OCI ETY Vo 1 34 NO 8 Au gus t 20 12 文章 编 号 : 1 0 0 1 8 3 6 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 8 7 0 7 配筋混凝土箱梁长期受力性能的比拟杆分析 方 志 ,伍琼 芳 ,曹 国辉。 ( 1 湖南大学 土木工程 学院 ,湖南 长沙4 1 0 0 8 2 ;2 南华 大学 城市建设学 院,湖南衡阳4 2 1 0 0 1 ; 3 湖南城市学院 土木 工程学院 ,湖南 益阳4 1 3 0 0 0 ) 摘
2、要 : 为使配筋混凝土箱梁长期受力性 能的分析趋于简便 , 将线 弹性匀质箱 梁短期 弯 曲性 能分析 的 比拟 杆法 推广应用 于其 长期受力性能的分析 。引入按龄期调整 的有效 弹性模 量来考虑箱梁混凝土徐变 的影 响 , 基 于换算 截面 的原 理来考 虑箱 梁配筋的影响 , 建立能综合 考虑箱梁受力特征和配筋影 响的混凝 土箱 梁长期受力性 能分析 的比拟杆 法。对一 根预应力混凝土模型箱梁进行长达 1 0 0 1 d的徐变试验 , 并用其结果对所提方 法的适用性 进行 验证 。结果表 明 : 混凝土箱梁 长期 受力性 能 的 比拟 杆 法计 算结 果 与试验 结 果之 间吻合 较 好
3、。与试 验 值相 比, t 。 l O 0 1 d时段 内箱梁顶板混 凝 土压应 变 的计算 值 相差 7 1 1 、 跨 中截 面 长期 挠 曲变 形 的计算 结 果 相差 9 1 7 。随着持荷时间的增长 , 箱梁顶板的剪力滞系数逐渐减小 , 持荷 1 0 0 1 d后剪力滞 系数减小 了 7 1 。 关键 词 :混凝 土 ;箱梁 ;徐 变 ;比拟杆法 ;换算截面 中图分类号 : U4 4 1 文献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 8 3 6 0 2 0 1 2 0 8 0 1 4 Ba r S i m u l a t i o n
4、M e t h o d f o r An a l y s i s o n Lo ng - t e r m Be ha v i o r o f Re i nf o r c e d Co n c r e t e Bo x Gi r d e r F ANG Z h i ,W U Qi o n g f a n g ,C AO Gu o h u i 。 ( 1 Co l l e g e o f Ci v i l En gi n e e r i n g, Hu n a n Un i v e r s i t y, Ch a n g s ha 4 1 0 0 8 2 ,Ch i n a ; 2 Sc h o
5、o l o f Ur b a n Co n s t r u c t i o n Na n hu a Un i v e r s i t y H e n g y a n g 4 21 0 01 , Ch i na ; 3 Co l l e g e o f Ci v i l Eng i n e e r i n g, H u n a n Ci t y U n i v e r s i t y, Yi y a n g 4 1 3 0 0 0 , Chi n a ) Ab s t r a c t : I n o r d e r t o d e v e l o p a s i mp l e me t h o
6、d t o d e t e r mi n e t h e l o n g t e r m b e h a v i o r o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b ox g i r de r s t r u c t u r e wi t h t h e s he a r l a g e f f e c t of box gi r d e r i nv ol v e d,a ne w ba r s i mul a t i on me t h od wa s p r e s e n t e d i n wh i c h t h e Ag e a
7、 d j u s t e d Ef f e c t i v e Mo d u l u s wa s u s e d t o c o n s i d e r t h e e f f e c t s o f c o n c r e t e c r e e p a n d t h e p r i n c i pl e o f t r a ns f o r m e d s e c t i o n wa s u s e d t o c on s i d e r t he e f f e c t s o f r e i nf or c e m e n t The r e s u l t s o f t h
8、e me t ho d we r e t e s t i f i e d by t h e l on g t e r m pe r f o r ma nc e t e s t o f a pr e s t r e s s e d c o nc r e t e s i m pl y s up po r t e d box gi r d e r u nd e r S US t a i ne d l o a d i ng o f 1 0 01 d The r e s u l t s s ho w a s f o l l o w s : The d e v e l o pe d m e t ho d
9、c a n gi ve a r e a s o na bl e pr e d i c t i o n t o t he c r e e p r e po ns e o f t he c o nc r e t e bo x gi r d e r ; c om p a r e d wi t h t he m e a s u r e d v a l ue s ,t he p r e di c t e d c o m pr e s s i v e s t r a i n i n t h e t o p p l a t e a n d t he l o ng t e r m d e f l e c t
10、i on a t t he mi d s p a n o f t he t e s t e d bo x gi r d e r i s o f e r r or r a ng e of ( 7 11 ) a nd ( 9 1 7) r e s pe c t i v e l y; t he s he a r l a g c oe f f i c i e n t o f t h e t o p p l a t e o f t he b ox gi r d e r r e d uc e s g r a du a l l y i n e x t e n s i on O f t he s u s t
11、a i n e d l o a di n g pe r i od a nd t i l l by 7 1 a f t e r lO 0 1 d Ke y wo r d s: c o nc r e t e; b ox g i r d e r ; c r e e p; b a r s i m ul a t i on me t h od;t r a ns f o r m e d s e c t i o n 徐变和剪力滞都是混凝土箱梁设计不可回避的重 要 问题 , 将 两者 综合 考虑 进行 耦合 分 析 , 即本文 所做 的 考虑剪力滞影响的徐变效应分析 , 目前 国内外 的研究 极少 。文献 1
12、通过折板理论分析了箱梁剪力滞对徐 收稿 日期 : 2 0 l 1 O 3 2 3 ; 修 回 日期 : 2 0 1 2 - 0 2 0 4 基金项 目: 国家 自然科学基金 ( 5 1 0 7 8 1 3 4 ) 作者简 介: 方志 ( 1 9 6 3 一) , 男 , 湖北黄冈人 , 教授 , 博士。 E ma i l : f a ng z h i h nu e d u c n 变 的影 响 , 指 出剪力 滞 增 大 了 截 面最 大 正 应 力 并 引起 应 力重 分 布 , 从 而 导 致 梁 体 徐 变 变 形 增 大 3 3 以上 。 文献E 2 通过有限元方法 , 分析 了先简支
13、后连续 的箱 梁 , 结论是 : 与梁弯曲理论相 比, 剪力滞 的影响显著地 增大了施工中体系转换引起 的应力变化 , 变形 的增加 量达到 5 O 左右 。文献 3 2 通过编制钢筋混凝土薄壁 箱 梁徐 变 分析 的有 限 元程 序 , 分 析 比较 了混 凝 土 收 缩 8 8 铁 道 学 报 第 3 4卷 徐 变对 箱梁 结构 内力 及 变 形 的影 响 , 并 用 试 验 结果 进 行了对 比分析 , 结果表明: 随着持荷时间的增长 , 混凝 土收缩徐变作用使箱梁 的剪力滞 系数逐渐减小 , 持荷 1 年后剪力滞系数减小 1 2 1 3 。文献 4 提出了预应 力 混凝 土简 支箱 梁
14、 时效 分 析理 论 , 综 合 考 虑 了梁 体 中 混凝土收缩徐变 、 普通钢筋和预应力筋 的截面配筋率 及布置、 预应力筋松弛及箱梁剪力滞等因素的影响 , 运 用 能 量变 分 法 结 合 截 面 内力 平 衡 方 程 和 变 形 协 调 条 件, 推导出了一套解析计算公式 , 并与有限元计算结果 进行 对 比 , 结果 表 明 : 剪 力 滞 影 响 可使 混 凝 土 收缩 、 徐 变 引起 的 预应 力 混 凝 土箱 梁 长期 上 拱 度增 大 4 0 6 O 。 文献 1 2 , 4 中均为理论分 析, 缺乏试验 的验证 , 文献 3 虽有试验结果的验证 , 但是有限元程序的计算
15、较为复杂 , 使用不便。因此 , 在混凝土箱梁考虑剪力滞 影响的徐变效应分析方 面, 如能建立一种简单可行的 分析方法将具有价值 。 比拟 杆分 析法作 为一 种 较 简 明 的分 析 方 法 , 广 泛 应用 于薄壁 箱 梁剪 力 滞 的计算 中 , 但 目前 比拟 杆 法 主要应用于箱梁短期持荷下弹性阶段的剪力滞计算 , 且未考虑配筋的影响。本文引入按龄期调整的弹性模 量考虑混凝土徐变的影响, 基于换算截面的原理考虑 配筋 的影响, 建立综合考虑混凝土徐变及配筋影响的 比拟杆计 算方 法 , 并 以试 验结 果进 行对 比分析 。 1 分析方法 1 1 徐 变 系数 采 用美 国 AC I
16、 2 0 9 R 一 9 2 l_ 6 徐 变 模 型 , 其 徐 变 系数 的计算 表达 式如下 ) 一 器 ) ( 1 ) 式 中: t 。 为加载 时混凝土龄期 ; ( t t 。 ) 为加载持续 时 间 ; 9 ( o o , t 。 ) 为徐 变系 数终值 , 且 ( O O , t 0 ) 一 2 3 5 y l y 7 h , ) , ) , (2) 式 中 : ) , 。 为加 载 龄期 校 正 系 数 ; y 为环 境 相 对 湿 度 校 正系数; y 为构件厚度校正系数; y 为坍落度校正系 数 ; y 为细集料含量校正系数 ; y 为空气含量校正系 数 。 1 2 按龄
17、期调 整 的有效 弹模 法 按龄期调整有效 弹模法 就是用老化系数 ( Ag i n g C o n f f i c i e n t ) z ( t , t 。 ) 来考虑? 昆 凝土老化对最终徐变值 的影 响 , 其 表 达式 为 e ( t , t o 一 + 式 中 : E ; ( , t 。 ) 为有 效 弹 性模 量 ; - c ( t , t 。 ) 为 按 龄 期 调 整 的有 效 弹性模 量 , 且 ( t , t o 4) F 式 中 : E 为 昆 凝 土 的短 期 弹性 模 量 ; 3 ( t , t 。 ) 为 老化 系 数 , 其 值 通 常 在 0 6 0 9范 围
18、 内 变 化 , 一 般 可 取 0 8 2 : 。 1 3 截面 换算 面积 按 龄期 调整 的换算 截 面面积 为 A A + O t ( , t o ) A。 (6 ) 式 中 : a ( , t 。 ) 为 t 时刻钢 筋与混 凝 土的弹 性模 量 之 比 ; A。 为混凝土截面面积 ; A 为钢筋截面面积 , 且 F a ( t , to 赢 ) 式 中 : E 。 为钢筋 弹性模 量 。 1 4 长 期受 力性能 的 比拟杆分 析 1 4 1 基本假 定 分析 时采 用 的基 本假 定如 下 : ( 1 )将箱 梁看 作理 想化 的加 劲杆 与 等效 薄 板 的组 合体系 , 理想
19、化的加劲杆仅承受轴力, 而等效薄板仅传 递剪力。 ( 2 )作用在箱梁任意截面上 的垂直剪力完全由腹 板承受 , 并且均匀分布于腹板面积上。 ( 3 )钢 筋与 其 周 围混 凝 土完 全 黏 结 , 不存 在 相 对 滑 移 。 1 4 2 确定 加劲 杆面 积 将配筋混凝土箱梁分为素混凝土和钢筋两部分 , 分别计算相应的比拟杆面积, 素混凝土和钢筋分别等 效 为上 、 下各 3根 理 想 化 的加 劲 杆 。采 用 三 杆 比拟法 分析梯形截面箱梁时, 箱梁混凝土的三杆 比拟示意见 图 1 。 若 已B B, 贝 0 B一 B, 一1 若 B 1 B, 则 Be l B, 1 1 图 1
20、箱梁混凝土的三杆 比拟示意图 通过计算推导混凝土的上 、 下加劲杆面积如下 : 顶板 边 杆 面 积A lc =:= a lc t 砉 + B il l 中杆 面积A 一2 B c t (8 ) ( 9 ) 1 一 一 r 第 8期 配筋混凝土箱梁长期受力性 能的 比拟杆分析8 9 底 板 边杆 面积A P m一 + 1 B 。 ( 1 0 ) 中杆 面积A c 一 B t ( 1 1 ) 其 中 一 吉 差+ 去c 孝 z t 一 百 十 一 么 t 壶瞪 + 丽 + O 2 C = = =吉 差+ c 警 一 百 : 十 一 壶曼 + + 式 中 : Z 、 Z b 、 t 、 t t B
21、、 h d d 2分 别 为 图 1 所 示 截 面的各 部分 尺寸 ; 系 数 、 岛、 见 图 1 。 继 而推 导箱 梁 中钢筋 的加 劲杆 面积 。基 于换 算截 面法 的基本 原理 , 根 据 钢筋 位 置 处 钢 筋 和 混 凝 土应 变 相等的原则 , 先把箱梁体内配置 的有粘结筋换算成等 效的混凝土条带 , 再等效为相应部分的加劲杆面积 以 考 虑钢 筋 的影 响 。 对于图 2所示 的配筋情形 , 将纵向钢筋换算成为 相应 的混凝 土条 带如 下 ( , t 。 ) 一1 A s = - a d ( 1 2 ) ( , t 。 ) 一1 As = = = b d 2 ( 1
22、3 ) ( , t o ) 一1 As w d 2 d s ( 1 4 ) 式中: A 为箱梁顶板钢筋 面积 ; A。为箱 梁底 板钢筋 面积 ; As w 为箱梁单边腹板钢筋面积 ; a ( f , t 。 ) 为 t 时刻 钢筋 与混 凝 土的 弹性 模 量 比 ; n 、 b 、 d 、 d 。 、 d 。 、 分 别 为 图 2所 示截 面各 部分 尺 寸 。 图 2 钢筋换算 面积 同样按照比拟杆 的等效原则 , 可将 由钢筋换算 的 混凝土条带等效为相应 比拟杆面积, 即可得到不 同的 持荷时刻考虑钢筋影响的加劲杆面积如下 : 顶板 边杆面积A s 一 d 。 d + s 。 B
23、( 1 5 ) 中杆 面积A2 一2 B d ( 1 6 ) 底 板 边 杆 面积 A r l s 一 + ( 1 7 ) 中杆 面积A s 一 s B P 2 s d ( 1 8 ) 式 中 一 + c 警 Z tOis 一 十 厂 风 一 + t l s ) + L 。d 3 sd z ( z a + 号 一 日 s ) f 1 2 ( + ) d ( 。 +邑 ) d 一 + c 警 - Z r dO2S 一 十 + t 2 ) 2 + + L ( 。 + ) ( z + 一 n )I 岛 d z l 式 中 : Z 、 Z 分 别 为截 面重 心 至 顶 板 、 底 板 钢 筋 中心
24、的距 离 ; d 、 d 2 、 d 。 、 A、 h 、 d d 2分 别 为 图 2所 示 截 面 各部分尺寸。 将钢筋 换 算得 到 的 比拟 杆面 积 与混凝 土部 分 的 比 拟杆面积进行叠加 , 即得到配筋混凝 土箱梁总的 比拟 杆面积如下 A 一A 。 +A i 一 1 2 ( 1 9 ) A 一A +A i 一 1 2 ( 2 0 ) 等效翼 板 厚度 t 为 顶 板t 一t 。 +t 一 c t 1 + s d 1( 2 1 ) 底 板t b t b +t b 。 一 c t 2 + s d 2 ( 2 2 ) 式中 : t 、 t 、 d 、 d 分别为图 1 、 图 2所
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- 混凝土 长期 性能 比拟 分析
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