组合桥面板混凝土收缩自应力分析.pdf
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1、5 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 4期 ( 总第 2 0 2期 ) DOI : 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 4 0 2 1 组合桥面板混凝土收缩 自应 力分析 步龙 ( 同济大学桥梁 工程 系, 上海2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 为了了解混凝土收缩对钢一混凝土组合桥面板受力性能的影响, 本文通过对平钢板一混凝土组 合板混凝土收缩 自应力进行研究, 通过建立板壳一实体有限元混合模型, 计算分析钢板厚度、 配筋率、 构件理论厚 度等各种参数变化下的钢一混组合结构的收缩 自应力, 提出该种形式下降低混凝土收缩自应力的优化措施。
2、【 关键词】 组合桥面板; 混凝土收缩; 参数优化; 有限元 【 中图分类号】 T U 3 7 8 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 04 0 0 5 8 04 目前桥 梁 中桥 面板 主要类 型有 混 凝土 桥面 板 和 钢桥面板 ( 或称正交异性桥面板) 。传统的混凝土 桥 面板 由于 自重 大 的缺点 限 制 了其 自身及 整座 桥 的 跨越能力 ; 许多有重交通荷载通行的钢桥面板在使用 数年或十几年后相继出现了疲劳破坏现象。近年来 随着钢 一 混凝土组合结构的广泛应用 , 也有很多学者 对组合桥 面板进行 了相应研究 。
3、国内外很多学者提出了各种不同钢一混组合桥 面板形式 , 如杨勇 的平钢板 一混凝土组合桥面板 、 邵旭 东 的 新 型钢 一R P C组 合 桥 面板 结 构 , 韩 国 的 H y e o n g Y e o l K i m 的压型钢 板 一混凝土组合板 , 李 杰 提 出的正交异性钢 一 混凝土组合桥面板等 。 虽然钢 一 混凝土组合桥面板的研究较多 , 但是混 凝土收缩对组合桥面板整体的受力性能影响并没有 相应具体分析。本文针对平钢板一混凝土组合桥面 板进行研究 , 研究在钢板厚度、 混凝土板配筋率、 构件 理论厚度等 3个参数变化下, 混凝土收缩 自应力 的变 化情况, 提出可以降低混
4、凝土收缩 自应力相应措施。 对此 , 本文通过建立 A N S Y S 板壳 一实体有 限元模型, 通过对模型中不同参数的变化 , 分析各种参数变化下 混凝土收缩对桥面板整体受力情况的分析, 并通过参 数 的对 比分 析 , 得 出相 应 的优 化 措 施。有 限 元计 算 中, 混凝土收缩模型采用我国现行 J r G D 6 2 2 o o 4 公 路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 收缩 模型 , 收缩绝对龄期假设为 7天, 并换算成等效温度荷 载 , 在有限元软件 A N S Y S中通过温度荷载实现。 1有限元模型 平钢板 一 混凝土组合 板截 面形式如 图 1 所 示 , 混 凝
5、土在上 , 高度 固定 为 1 0 0 m m, 钢板在 下 , 厚度是 一变 化参数; 混凝土与钢板之间的连接假定为刚性连接。 选取 截 面形 式 为 1 0 0 m m X l O O m m1 0 0 ra m 的立 方体平钢板 一混凝土组合板作为标准有限元模型如 图2 所示。在 A N S Y S 有限元模型中, 混凝土采用实体 单元模拟, 钢梁采用板壳单元模拟, 钢筋采用杆单元 图1 平钢板 混凝土组合板截面 11 t 2 标准有限元模型 模拟 , 混凝土和钢板之间为刚性连接; 混凝土采用 C 6 0 混凝土, 混凝土容重为 2 6 k N m , 弹性模量为 3 6 X 1 0 M
6、 P a , 泊松 比为 0 2 , 线性 膨 胀 系 数 为 1 01 0 一。 钢材 采 用 了 Q 3 4 5 q d , 容 重 为 7 8 5 k N m , 弹性 模 量 2 0 6 X 1 0 , 泊松 比为 0 3 , 线 膨 胀 系数 为 1 2 X 1 0 。 钢筋 采用 H R B 3 3 5 , 容 重 为 7 8 5 k N m , 弹性 模 量 2 01 0 , 泊松比为0 3 , 线膨胀系数为 1 21 0 。模 型中, 在立方体下表面四条边节点均施加竖向约束, 其中两条边节点施加了水平向约束, 如图 2 所示。 混凝土板整体收缩 , 底部钢板对于混凝土板有约 束
7、限制作用, 带来混凝土一部分受拉 , 混凝土受拉性 能又较弱 , 故 主要 的关 键研究点 是组合结 构 中混凝土 最大拉应力 , 本文主要对于混凝土拉应力进行分析。 2 不 同钢板 厚度对 混凝土收缩 自应 力影 响 采用标准模型, 模型中无钢筋, 仅仅变化模型中 钢板厚度 , 计算出龄期 2 8 d 、 9 0 d 、 1 8 0 d 、 1 年、 1 0年混凝 土收缩作用下 , 混凝土最大拉应力。计算结果如图 3 所示 , 图中可 以看 出随着 龄期增加 混凝 土拉应 力也相 应增加 , 一年之 内混凝土拉应力随着龄期变化 明显 , 但是一年后混凝土拉应力增长幅度已经不大 , 龄期十 年
8、的混凝土最大拉应力比龄期一年混凝土最大拉应 力增加约 1 3 8 。 为 了更好 看 出钢板 厚度 对 混凝 土收 缩 自应 力 的 影响 , 把所有相 同龄期下 不 同板厚 的混凝 土拉应 力增 加值绘制在图4中, 图中可以看出钢板厚度对混凝土 步龙 : 组合桥面板混凝土收缩 自应力分析 5 9 龄期, d 图3 不同钢板厚度混凝土拉应力随龄期变化 拉应力增加在板厚较小时曲线增加幅度较大, 随着板 厚 的增加到 1 0 m m 以后 曲线 明显平 缓 , 对 混凝 土应 力 影响减小。钢板厚度的增加, 必然会导致钢板钢度的 增加, 在混凝土收缩时钢板对混凝土的约束作用也会 增加 , 必然会导
9、致混凝土拉应力的增加, 钢板越厚导 致混凝土收缩作用下混凝土承受更大的拉应力, 对整 体结构不利 , 龄期越大危害越明显。 钢板厚度 m m 图4 相同龄期不 同板厚混凝土应力差值 曲线 3 不 同配筋率对混凝土收缩 自应 力影 响 采用标准模型的基本参数, 选取钢板厚度为 6与 1 2 ra m的两种模型进行分析, 模型中钢筋用 L I N K 8单 元模拟, 钢筋分为单 向与双向配筋两种方式 , 龄期统 一 选用 2 8 d 。单 向配筋的模型, 分析 中分析顺钢筋 向 混凝土最大拉应力与垂直钢筋 向的混凝土最大拉应 力; 双向配筋模型, 两侧配筋率取相同数值 , 故两侧混 凝土应力相同只
10、取一侧混凝土最大拉应力进行分析。 当平钢板厚度为6 m m时, 龄期 2 8 d时单向配筋与 双向配筋下混凝土最大拉应力如图5所示。图中可以 看出, 随着配筋率的增加, 双 向配筋的混凝土拉应力 以及单向配筋的垂直钢筋向的混凝土拉应力都是先 降低后增加 的趋势, 且拐点均在配筋率为 0 2 8 时; 单向配筋的顺钢筋向的混凝土拉应力随着配筋率的 增加呈现降低的趋势。在配筋率小于 1 5 6 时, 无论 单向配筋还是双向配筋的试件混凝土最大拉应力均 小于无配筋时的试件; 当配筋率高于 1 5 6 时, 配筋 的混凝土拉应 力 均大 于素 混凝 土 时混 凝土 的最大 拉 应力。双向配筋时, 在配
11、筋率为 0 2 8 时, 混凝土最 大拉应 力 较 素 混 凝 土 时 混 凝 土 最 大 拉 应 力 减 小 了 3 3 3 ; 单向配筋时, 在配筋率为 0 7 0 时, 顺钢筋 向 混凝土最大拉应力与垂直钢筋向混凝土最大拉应力 相 同 , 此 时混凝土最 大拉应力 较混凝 土时混凝 土最 大 拉应力减小 了 1 6 8 。 当平钢板厚度为 1 2 m m时, 龄期 2 8 d时单 向配筋 与双向配筋下混凝土最大拉应力如图6所示。图中可 以看出, 与图5的曲线趋势基本相同, 但是图6中曲线 拐点明显上移且配筋对混凝土最大拉应力的降低趋 势已经不明显; 随着配筋率的增加, 双 向配筋的混凝
12、土拉应力以及单 向配筋的垂直钢筋 向的混凝土拉应 力都是先降低后增加的趋势 , 且拐点均在配筋率为 0 1 3 时; 单向配筋的顺钢筋 向的混凝土拉应力随着 配筋 率 的增加 呈 现 降低 的趋 势。在配 筋 率小 于 0 2 6 时, 单向配筋试件垂直钢筋向的混凝土最大拉 应力小于无配筋时的试件; 在配筋率小于 0 3 6 时, 双向配筋试件的混凝土最大拉应力小于无配筋时的 试件。双向配筋时, 在配筋率为 0 1 3 时, 混凝土最 大拉应 力 较 素混 凝 土 时 混 凝 土 最 大 拉 应 力 减 小 了 0 7 1 ; 单向配筋时, 在配筋率为 0 1 9 时, 顺钢筋向 混凝土最大拉
13、应力与垂直钢筋向混凝土最大拉应力 相同, 此时混凝土最大拉应力较混凝土时混凝土最大 拉应力减小 了 0 2 9 。可 以明显看 出, 当钢板厚 度增 加 , 钢筋对降低混凝土最大拉应力作用已经基本失效。 一 朋l 腿 J 三 箍 一 无 钢 筋 应 力 一 双 向 配 筋 应 九 配筋率, 不 同配筋率下混凝土最大拉应力 二 羹 嘉 露 嫠 舅 应 】, , 一 无 钢 筋 应 力 r , 一 双向配筋廖 , 配筋率, 图6 钢板厚1 2 ra m 时不同配筋率下混凝土最大拉应力 通过对钢板厚度6与 1 2 m m两个试件模型的分析 对比得出, 当钢板较薄时, 合适的配筋率可有效降低 混凝土收
14、缩时混凝土板 的最大拉 应力 ; 钢 板厚度 较 大 鼍 d 罢 氆卅燃赔 - 耋景安 低温建筑技术 2 0 1 5 年第4期( 总第2 0 2 期) 时, 配筋已对降低混凝土收缩时混凝土最大拉应力几 乎没有作用。还可看出, 无论钢板厚度多少, 不合适 的配筋率都会导致混凝土拉应力增加, 故在设计组合 板混凝土配筋时一定要多方面考虑权衡利弊。 4 构件 的理论厚度对混凝土收缩 自应力影响 根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范 的混凝土收缩模型公式 , 构件的理论厚度是公 式中对混凝土收缩应变起直接作用的因素, 构件的理 论厚度 h= 2 A u , 其中, A为截面面积 ; “为构
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