预应力箱梁承载力变化和变形特性研究.pdf
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1、总651期2023年第21期(7月 下)0 引言随着我国交通运输行业的发展,大跨度桥梁工程越来越多,对桥梁材料和力学性能要求也越来越高,研究人员对此进行了一系列研究1-2。雒敏等3通过抗剪试验对超高性能混凝土梁的抗剪承载力进行了研究,结果表明,提高配箍率和纤维掺量能显著提升超高性能混凝土梁的延性。王彬等4依托临猗黄河大桥项目,通过有限元软件对梁负弯矩区计算方法进行了优化,结果表明,跨中区域桥面板压力受安装次数影响较大。詹元林等5采用Midas/Civil软件建立了既有桥梁的有限元模型,对既有桥梁的刚度和强度进行了研究,结果表明,既有桥梁的承载力满足预制混凝土箱梁的施工要求。鲁雪冬和宋晓东6从多
2、个方面探讨了混凝土箱梁设置横向预应力钢筋的必要性,结果表明,仅配置普通钢筋,其箱梁承载力和裂缝宽度仍能满足规范要求。本文结合济南至潍坊高速公路桥梁段工程,进行了足尺寸预应力箱梁承载力试验,对跨中截面挠度、混凝土裂缝、跨中截面应变以及纵向受拉钢筋应变情况进行了分析和研究,并将试验结果与规范计算结果进行了对比。1 试验概况1.1 试验箱梁尺寸设计本文试验采用的预应力混凝土简支梁类型为单箱单室箱梁。预应力梁中的钢绞线抗拉强度标准值为1 920MPa,其余钢筋为HRB400型号。在预应力梁的制作过程中采用连续浇筑一次成型的方法,其中,单独每个梁浇筑的时长不超过6 h,养护方式为人工洒水自然养护。图1为
3、梁跨中截面的构造和钢筋布置情况。(a)箱梁尺寸(b)预应力钢束布置单位:mm图1 试验箱梁跨中截面1.2 试验加载和监测方案通过地锚式单反力架进行箱梁的试验加载,图2为试验用到的地锚加载系统。试验分为两个加载阶段,分别为弹性加载阶段和破坏加载阶段。本文试验为足尺寸试验,荷载通常通过内力或变形等效获得,选取内力等效原则确定荷载。在弹性阶段中,通过有限元软件模拟桥跨结构在不同施工过程中的弯矩效应,然后获得不同施工阶段的加载力。弹性阶段加载力共分为 4 级,分别为 270kN、380 kN、730 kN和740 kN。收稿日期:2022-09-05作者简介:王永涛(1983),男,山东济南人,高级工
4、程师,从事高速公路建设相关工作。预应力箱梁承载力变化和变形特性研究王永涛(山东省路桥集团有限公司,山东 济南 250000)摘要:依托实际预应力混凝土桥梁工程,进行足尺寸预应力箱梁承载力试验。对跨中截面挠度、混凝土裂缝、跨中截面应变以及纵向受拉钢筋应变情况进行了分析和研究,并将试验结果与规范计算结果进行了对比。结果表明:随着荷载的增加,梁跨中截面位移不断增长,分为弹性阶段、带裂缝工作阶段和塑性阶段。裂缝平均高度随着荷载的增加而提高。试验梁开裂后,裂缝总宽度与荷载呈线性增长趋势。跨中截面应变主要位于梁下端,梁跨中截面底部应变与荷载大小呈正相关关系。与试验结果相比,变形控制弯矩和裂缝控制弯矩偏大,
5、与试验结果偏差分别为7.5%和8.7%。强度控制弯矩相对于试验结果偏小,与试验结果偏差为8.4%。关键词:预应力箱梁;预应力混凝土;混凝土裂缝;跨中弯矩中图分类号:U443文献标识码:A130交通世界TRANSPOWORLD在破坏阶段中,通过每级100 kN的幅值增加荷载,以此获取开裂荷载、裂缝临界荷载、钢筋屈服荷载以及预应力钢束的屈服荷载等。具体施加过程为,加载至开裂荷载后,保持荷载5 min后开始监测梁体参数。然后进行卸载,记录卸载值,再加载到裂缝超限荷载,持续5 min再次进行测量。不断重复以上过程,得到开裂荷载、裂缝临界荷载、钢筋屈服荷载以及预应力钢束的屈服荷载等参数。2 结果分析与讨
6、论2.1 荷载-挠度曲线图3为梁跨中截面的荷载-挠度位移曲线。图3 跨中截面荷载-位移曲线由图3可知,随着荷载的增加,梁跨中截面位移不断增长,主要分为三个工作阶段。在A点混凝土发生开裂,梁体产生裂缝,因此在A点之前梁变形主要为弹性变形,处于弹性阶段。A点之后裂缝由跨中截面向两侧发展,其宽度不断增加,在B点裂缝超过限制,由钢筋承担的拉力增加,一直延续到 C点,受拉纵筋达到屈服。AC阶段为带裂缝工作阶段,在BC两点的卸载曲线其斜率相对于A点的卸载曲线减小,也说明梁体刚度降低。C点之后,由于受拉钢筋已经屈服,随着荷载的增加,梁体跨中截面位移增加迅速,跨中挠度大幅增加,此阶段处于塑性阶段。直到荷载增至
7、约2 500 kN后,对应的跨中竖向位移为219 mm,此时停止试验。2.2 裂缝特征参数图4为梁跨中截面荷载-裂缝特征曲线情况。(a)裂缝平均高度(b)裂缝总宽度(c)裂缝最大宽度(d)裂缝平均间距图4 荷载-裂缝特征参数曲线由图4(a)可知,随着荷载的增加,裂缝平均高度逐渐提高。梁跨中区域裂缝的平均高度由最初的开裂点逐渐延伸到腹板顶部梗叶附近。裂缝平均高度随荷载变化斜率的增加逐渐降低,在荷载较大时趋于稳定。由图4(b)可知,裂缝总宽度随着荷载增加而提高。在荷载较小时,其增加幅度较小,后随着荷载的增加,裂缝开始出现并开始发展。因此在试验前期裂缝宽度总和较小,其增加速率也较低,后随着裂缝的单位
8、:cm图2 地锚加载系统荷载/kN裂缝平均高度/cm裂缝总宽度/mm裂缝最大宽度/mm裂缝平均间距/m131总651期2023年第21期(7月 下)出现以及荷载的增加,单一裂缝宽度增大以及出现新裂缝,裂缝总宽度与荷载呈线性增长趋势。由图4(c)可知,裂缝最大宽度随荷载增加而增大。在试验过程中,随着荷载的增加,试验梁开始出现裂缝,然后由跨中向两翼逐渐发展,其裂缝宽度随着荷载的增加提高速率也增大,主要发生在塑性阶段。由图4(d)可知,裂缝间的平均间距随着荷载的增加呈阶梯状减小。这种现象说明,随着试验的进行、荷载的增加,跨中不断出现新裂缝,并逐渐向两侧发展,导致裂缝间的平均间距减小,这也对应了前文现
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