加载方式改变对高强度桥用混凝土变形特性影响的试验研究.pdf

第 3 6卷 ， 第 1期 2 0 1 1年 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 6No 1 F e b ， 2 0 1 1 加载 方式 改变对 高强度桥用混凝土变形特性影响的 试验研 究 陈 灿明 ，黄卫 兰 ，王 宏 ， 唐 崇钊 ( 1 南京水利科学研究院 ，江苏 南京2 1 0 0 2 9 ； 2 水利部水科学 与水工程重点实验室 ，江苏 南京2 1 0 0 2 9 ) 摘要 】论述大跨径预应力高强度混凝 土梁桥施工时仿预应力筋张拉 ( 加载) 对瞬时变形和徐变影响 的试验 结 果 ， 文 中列述了试验方法 、 材料 、 测试结果与成果应用 ； 分析指 出， 与试 验室标 准加载方式 相 比， 预应力筋 现场施 工 可以使混凝土 的弹性模量 明显改变 、 徐 变增加 ， 在计 算高强预应力 混凝土梁桥 的长期 变形和构 件预应力 衰减时 应 考虑应力历史对变形参数 的影响 ， 并进行必要 的调整 。 关键词加载方式 ； 瞬时变形 ；徐变 ；预应力损失 ； 高强混凝土 中图分类号U 4 4 1 2 文献标识码 A 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 2 0 0 5 De f o r ma t i o n o f Pr e - s t r e s s e d Hi g h s t r e ng t h Co n c r e t e Br i d g e un d e r Di ffe r e n t Lo a d i n g W a y s CHEN Ca n mi n g 一，HUANG W e i l a n 一，TANG Ch o n g z h a o 一，DI NG J i a n t o n g ( 1 N a n j i n g Hy d r a u l i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ， N a n j i n g ， J i a n g s u 2 1 0 0 2 9，C h i n a ； 2 K e r L a b o r a t o r y o f Wa t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，MWR，Na n j i n g ，J i a n g s u 2 1 0 0 2 9，Ch i n a ) A b s t r a c t I n s t a n t a n e o u s d e f o r ma t i o n a n d c r e e p a s w e l l a s t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e l o n g s pa n pr e s t r e s s e d g i r d e r br i d g e a r e d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r I t s e t s o u t t h e t e s t me t h o d s， ma t e r i a l ， t e s t r e s u l t s a n d o u t c o me s a p p l i c a t i o n Co mp a r e d wi t h t h e l a b o r a t o ry s t a nd a r d l o a di ng，o n s i t e c o n s t r u c t i o n t h e e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e c h a n g e s o bv i o us l y a n d c r e e p i n c r e a s e s d i s t i n c t l y I t i s p o i n t e d o u t t h a t wh e n l o n g - t e r m de f o r ma t i o n a n d p r e s t r e s s l o s s e s a r e e s t i ma t e d，s t r e s s h i s t o ry h a s t o b e c o n s i d e r e d T h e r e f o r e t h e d e f o r ma t i o n p a r a me t e r s s h o u l d b e ma d e n e c e s s a ry a d j u s t m e nt s Ke y w o r d s l o a d i n g w a y ；i n s t a n t a n e o u s d e f o r m a t i o n ；c r e e p ；p r e s t r e s s i n g l o s s ；h i g h s t r e n g t h eoncr et e 大跨 径预 应力 混凝土 梁桥 主梁 采用分 节段 浇筑 和预应力 张拉 施工 。预应 力筋 数量 多 ， 张拉 时 间长 ， 分 节段施 工浇 筑和 张拉 时先浇 筑段 处于反 复 的部分 加 载作用 状态 。在 试验室 测定 试件 混凝 土的徐 变特 性 时完成 加 载的时 间短 ， 且试 件经过 加 、 卸 载预 压测 试 。本试 验 以混凝 土 的瞬时 弹性变 形和徐 变变 形为 目标变 量 ， 采 用对 比试 验 分 析 法论 证 不 同加 载方 式 时产生 的差 异 ， 及 由此对 构 件 预 应力 损 失 和 桥梁 变 形 可能产 生 的影 响 。 1 试 验概 况 采用桥用 c 混凝土共制作 4组试件 ， 分 4种加 载方 式 加载 ， 测 试 加载 试 件 的 瞬 时变 形 及荷 载 锁 定 后 的徐 变收缩 ， 同时还 测 试 校 核试 件 的 非荷 载 变 形 ( 收缩 ) ； 9 0 d以后卸荷 ， 测定 瞬 时 回弹 和徐变 恢复 。 C 桥 用 混 凝 土 采 用 双 龙 集 团 水 泥 厂 生 产 的 P 0 4 2 5普通 硅 酸盐 水 泥 、 江 西产 中砂 ， 江 苏 句 容 产 石 灰岩 碎石 ， 外 掺 萘 系 减水 剂 F D N， 材 料 用 量 见 表 1 。在标 准养护 条件 下 ， 该配 比混凝 土 2 d 、 7 d 、 2 8 d 和 9 0 d龄 期 的 标 准 立 方 块 抗 压 强 度 分 别 达 到 4 8 2 MP a 、 5 4 3 MP a 、 6 3 5 MP a和 7 8 2 MP a ， 强 度 和 强度 比符合 施工 要求 。 收稿 日期2 0 1 0 0 6 1 8 基金项 目交通部西部交通建设科技项 目( 2 0 0 6 3 1 8 2 2 3 2 7 ) 作者简介】陈灿明( 1 9 6 2 一) ， 男 ， 江苏靖江人 ， 高级工程师 ， 主要从事水工结构试验 、 检测与安全评估 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 陈灿 明 ， 等 ： 加载方式改变对高强度桥用混凝土变形特性影响的试验研究 2 l 每组 试件 制作 加 载 试 件两 件 、 非 加 载 的校 核 试 件两 件 。试件 外 形 尺 寸 为 2 06 0 c m 的 圆柱 体 ， 其等效厚度 h=1 0 C n l 。试 件立式 成型 ， 分 3次 浇 筑 、 振动台振捣 。成型后在试验室带模养护 ， 2 d拆 模 。 用 D I 一 2 5型差 动 电阻式应 变计 测量 试件 的轴 向 应变 ， 在 成型 时预先 将 应 变 计 安装 埋 设 在 试 件 的 中 间部 位 ， 应 变计 测量标 距 2 5 0 m m。应 变测 量仪 表用 S Q一 5型数字 式 电桥 。 每组试 件 同时 在 一 台 3 5 0 k N三 杆 式 弹 簧徐 变 仪 上 进 行 加 载 和 作 恒 载 的 应 变 测 试 ； 荷 载 值 用 4 0 0 k N钢 环测 力 计 测 量 ， 用 千斤 顶 施 加 压 缩 荷 载 。 4种加载 测试 方式 如下 。 试 件不 经 预 压 ， 荷 载 由零 至 2 5 0 k N分 五 级 均衡施 加 ， 测 定每 级增 加 5 0 k N荷 载 的变形 ， 最后 锁 定 荷 载 。 试 件经 3次预 压测 试 ， 然后 再 按 5 0 k N一 级 荷 载分 五级 施加 至 2 5 0 k N， 完 成 最后 一 级 荷 载 的变 形 测定后 锁定 荷载 ， 这 种 加 载 方 式 与 弹模 试 验 基 本 一 致 。 试件 不经 预 压 ， 按 5 0 k N一 级荷 载 分 五级 施 加至 2 5 0 k N， 每两级荷载施加时间相隔 1 h ， 其 间除 测 试 弹性瞬 时应 变外 ， 还 测试 两 级 荷 载 之 间 的徐 变 变形 ， 然 后锁 定荷 载 。 试件不经预压 ， 按 2 5 k N一级荷载分 1 0级 施 加至 2 5 0 k N， 每两级 荷 载施 加 时 间相 隔 0 5 h ， 测 试 加载 时 的瞬时 弹性 应 变 和 间隔 时 间 的徐 变 变 形 ， 然后 锁定 荷 载 。 每级 荷 载 ( 5 0 k N) 的加 载 和 测 读 在 56 s完 成 。每组 试件 加 载测定 完毕 锁定 荷载 后做 徐变 收缩 测试 ， 校核试 件做非荷 载变形 ( 主要为 自生变形和 干缩 ) 测试 。 试验室温度控制 2 0 4 - 2 0 C， 湿度控制( 6 5 4- 5 ) 。 2试 验 结 果 2 1 加 载 时 的压缩 应 变 表 2为 4种 荷载 方式 在不 同荷 载条件 短 时间 内 出现 的压缩 应变 。表 中弹性应 变为 荷载 增加 时 出现 的压缩 应 变 ， 徐 变 应 变 为 荷 载 加 至 预 定 值 锁 定 后 ， 至 下一 级荷载 施 加前所 增加 的压 缩应 变 。 表 2 4种加载方式弹性瞬时应变 8 和徐变应变 E c 测值 Ta b l e 2 Co mp a r i s o n o f i ns t a nt a n e o us e l a s t i c s t r a i n s e a nd c r e e p s t r a i n 8 c u nd e r f o u r l o a d i n g me t h o ds 注 ： 相对值 为不 同加载方式与徐变试 验规范加 载方式 ( e +s ) 之 比。 第加载方式 ， 试件未经预压 ， 以连续加载和测 读变形的方式使荷载值 由零增加至 2 5 0 k N， 每级荷 载 的应变 增量 与 平 均 值 相 比 由 0 8 6提 高 至 1 0 9 ， 末 、 初 级应 变增 量 比 1 2 7 。这种 应 变增 量 的逐 级提 高 与水泥 石和 骨料 之间 的变形 特性差 异有 关 。 第 加载 方式 ， 试件 经 3次预 压后 ， 各级 应变 增 量 的 均 匀 性 都 明显 提 高 ， 末 、 初 级 应 变 增 量 比 为 1 0 8 。说明试件在加卸载预压期间 ， 骨料与水泥石 之间出现 了变形和 内应力调整， 从而使得各级应变 增量 趋 向均匀 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 公路工程 3 6卷 第加载方式 ， 前四级荷载加至 2 0 0 k N时的应 变增 量基 本均 匀 ， 相 对 值 为 0 9 71 0 2 ， 平均 0 9 7 ， 最后 一级 为 I 1 0 。该加 载方式 表 现 出各 级应 变 增 量 s 趋 于 均 匀 和 弹 性 模 量 提 高 ( s 变 小 ) ， 应与 短 时 间 内水 泥 石 徐 变 变 形 发 展 以及 水 泥 石 与骨料 之间发 生应 力调 整有关 。 第加载方式 ， 每级荷载的应变增量值均匀性 更好 ， 其累加值更小。分 5级加载和分 1 0级加载的 一 、 I 2 一 、 瞬 时弹模 均 比标 准 方 法 ( 第 加 载方 式 ) 的结 果 有 较大 提高 ( 增大 8 和 1 8 ) 。 2 2徐 变应 变与徐 变 系数 图 1所示 为 4种加 载 方 式 的徐 变度 曲线 ， 各 组 试件 在持 荷 3 0 d左右 以后 徐变 变形 逐渐 减小 ， 曲线 变化趋缓 ； 以第 加载方式的徐 变为基 准， 、 、 、 加载方式在 3 0 d 后徐变比值的平均值为 0 9 4： 1 00 ：1 07 ：1 2 4 图 1 4种加载方式 的徐 变度曲线 Fi g u r e 1 Co mp a r i s o n o f c r e e p c ur v e s u nd e r f o ur l o a d i n g me t ho d s 第 、 加载方式从荷载锁定 以后开始观测徐 变 ， 第 、 加载方式在锁定荷载以后和荷载锁定前 的徐 变测 值 累加计算 徐变 度 c 。用规 范 规定 加载 方 式 的弹性 模量 乘 以徐 变 度 E ： C ( ：1 、 2 、 3 、 4 ) 作 为 徐变系数 咖 ， 结果见表 3 。从该表所列看 出， 第荷 载 方式的徐变和徐变系数最小 ， 并按顺序号 、 、 表 3 不 同加载方式混凝土徐变度 c和徐变 系数 西 Ta b l e 3 Co n c r e t e c r e e p C a n d c r e e p c o e f fic i e nt b 持荷时间 d 徐变度 c ( t O MP a ) 变系数 咖=E 2 Ci 0 43 O 57 0 6 4 0 78 O 8 5 0 91 0 9 7 1 0 2 1 0 5 1 O 8 1 1 O 依次变大。 2 3卸 载 时的回弹 变形 与卸载后 的徐 变恢 复 试件在徐变仪上持荷 9 0 d后作卸载测试 ， 观测 其 瞬时 回弹应 变 ， 卸 载速 度与加 载试 验 的速度一 致 。 由瞬时 回弹应 变推 算 混凝 土 9 7 d龄 期 的 ( 回弹 ) 弹 模 ； 由全 部卸 载后试 件 的变形及 校核 试件 的变形 测 试推算混凝土的徐变恢复( 弹性后效) 。 表 4为瞬时 回弹的测试结果。加载方式最后 一 级瞬时回弹应变略偏大 ， 前 四级 回弹应变及其他 3种加 载 方 式 的 各 级 回 弹 应 变 基 本 均 匀 。总 体 上 看 ， 卸载 时瞬时 回 弹 的均 匀性 明显 优 于加 载 时 压缩 变形 。 一 钉 乏 ： 如 一 0 0 0 0 0 l l l 1 l l 如 引 毗 0 0 0 0 0 0 0 0 0 l 1 鼹 O O 0 O 0 O O O 0 O O 9 9 5 5 2 O 5 1 2 O 5 = 2 勰 如 7 5 5 3 3 8 7 0 8 5 0 ：2 ” 勰 如 2 2 3 7 43 9 9 6 6 H 加 勰 一 5 2 2 5 6 0 9 2 2 8 O 8 H 3 5 m ：2 加 如 加 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 卸 载 时 试 件 的 瞬 时 回 弹 应 变 s 测 试 暑 一 10 - 6 2 ；5 0-：2：蚤 ： 蓁 7 44：i 专 蔓 誊 凳 熏 善 墓 警 鎏 餮 3 ff l E E 爹 应力衰 减 。求 解 昆凝 土应力 的绿 ，艾7 丁 程 衣 、 州 I n i - l i l l 4 3 2 l 下的积分形式 ： ： + 【 c ，( ) 一 c ， ( ) 一 o i 1 】 d 一 力 ， 均为时 间变 量 ； C ( ) 、 c y 一 1 一 毵 、 图 2梁段与浇筑顺序号 Fi g u r e 2 Be a m a nd s e qu e n c e nu mb e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 6卷 混凝 土截 面 刚度 E相 比相 对 较 小 ， 从 而使 得 混凝 土弹模 的有限变化不会对构件预应力衰减计算结果 有明显影响等 因素 ， 可将式 ( 2 ) 中的迟后模 量取为 常量 ， 其值 如下 ： E=E( 。 ) ( 1+E( 。 ) C ) ( 3) 式 ( 2 ) 的微分 形式 为 ： 8 ： E+ c ( 4 ) 经过 上述处 理后 ， 可使 问题 的求解 变得 比较 简单 ， 可 以得到预应力衰减问题的封闭解并有较好的计算精 度 。 对 构 件 的预 应 力衰 减 和应 力 重 分 布计 算 而 言 ， 采 用有 效模 量法 方程式 表示 的徐 变方程 式取代 积分 型徐变 方程 ， 可 以避 开 积 ( 微 ) 分 方 程 ( 组 ) 的求 解 ， 计算更为简单又有较好 的结果 ， 方程形式如下 ： 一 南 ( 1 + ) H ( 5 ) 式 中 r 为 张拉 时 混 凝 土龄 期 ， 咖=咖 ( t )+ ( t )。容易看 出， 当张拉弹模 E ( 。 ) 取值相同时， 方 程 ( 5 ) 中徐变系数 值的大小就成为 比较预应力衰 减的重要指标。据表 2所列结果 ， 可以将 、 两种 加载方 式在 缓慢加 载期 间部 分徐 变变形 归人 弹性 瞬 时变形 中 ， 得到 与方式 的相 同弹模值 ， 即可 应用 常 规标 准试验 的结 果作 为上述 方程 的弹模 取值 。 因式 ( 3 ) 对构 件预 应力 计算 可取 得 与精 确解 足够 相 近 的 结 果 ， 故 上述 处 理不 会 有 明显偏 差 。经过 上 述 处理 后 ， 表 3所列 、 两种加载方式徐变系数 的平 均值基本与加载方式的 值接近 ， 如持载 9 0 d的 结 果 如下 ： 荷载方式 、 平均值 原列表值 、 1 0 4 1 1 0 1 3 0 1 2 0 弹模处理后 咖 值 1 0 5 1 0 2 1 1 5 1 0 8 上 述结 果 说 明 ， 因 标 准 加 载 方 式 的 值 与 、 加载方式 值的平均值接近 ， 故用标准加载方法 所取得 的徐 变特 征推 算构件 预应 力衰 减 问题 的计 算 结果 不会有 明显 的偏 差 。 梁 的变 形 分 荷 载 变 形 和 非 荷 载 变 形 。 当将 梁 ( 或梁 段 ) 视 为线 弹性 徐 变体 时 ， 其 非荷 载 变形 与 弹 性瞬 时变形 相等 ， 由荷 载 引 起 的变 形 占 ( 下 挠 ) 与 弹 性瞬 时变形 6 。 ( 下 挠 ) 有 下述关 系 ： 8=6 ( 1+ ) ( 6 ) 式 中 为梁段 的徐变 系数 ， 可依据 混凝 土 的徐变系 数 西和 梁段 的配筋 情 况进 行 推算 ； 混 凝 土 的徐 变 系 数 应 进行构 件尺 寸与 环境 湿度效应 调整 。 。 4 结 论 根 据高 强混凝 土柱 体不 同加 载方式 压缩 变形试 验 ， 荷 载分 级缓慢 施 加 ， 可 使 弹性 模 量 明 显增 大 、 徐 变变形 增加 、 徐变 系数 提高 ； 高强混 凝 土持荷 一段时 问后卸 载 ， 回弹变 形 模 量 明显 低 于 同龄 期 混 凝 土试 件初 次加 载的 弹性 模 量 。分 析认 为 ， 因加 载 方式 改 变 出现 的上 述变 形特 征变化 虽不会 明显 影响 预应力 衰减 的推算 结果 ， 但 施 工 时各 节 段 预应 力 筋 的反 复 张拉会 使大跨 径 预应力 梁桥 的长期 下 挠变形增 大 。 参考文献 1 陈灿明 ， 等 混凝土强度与弹模依时增长相关性公式 的试验研 究 J ， 公路工程 ， 2 0 1 0 ( 1 ) 2 惠 荣炎 ， 黄 国兴 ， 易 冰若 混凝 土的徐 变 M 中国铁道 出版 社 。 1 9 8 8 3 唐崇钊 混凝 土的徐 变力 学与试 验技 术 M 水利 电力 出版 社 ， 1 9 8 2 ( 1 2 ) 4 陈灿明， 等 大跨径 预应力混凝土梁桥高强度 混凝 土材料特性 研究总报告 R 南京水利科学研究 院， 2 0 1 0 5 陈灿明， 等 桥用高性能混凝土的徐变 与应用 J 水 利水运工 程学报 ， 2 0 0 7 ， ( 2 ) 6 徐锋 ， 庞建栋 混 凝土 弯曲 的变形 和模仿研 究 J 公路 工 程 ， 2 0 0 7 ， 3 2( 4 ) ： 1 0 71 0 9 7 杜攀峰 ， 黄立葵 ， 陈岚 邵怀高速公路混凝 土强度 一回弹值 曲 线的建立及应用 J 公路工程 ， 2 0 0 7， 3 2 ( 4 ) ： 1 6 01 6 2 8 周奇 ， 张南， 许琦 预 应力钢混凝 土组合 梁预压应 力分 布研究 J 公路工程 ， 2 0 0 8， 3 3 ( 1 )： 2 83 1 9 宋宇峰 ， 王解 军 大跨径连续刚构桥施工控制 中的混凝土徐变 分析 J 公路工程 ， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 1 ) ： 3 23 5 1 O 杨勃 ， 张鹏 混凝土连 续梁温度差 效应分析 J 公路工 程 ， 2 0 0 9， 3 4( 2)： 6 97 2 1 1 杨献章 混凝土组成成分对混凝土性能的影响 J 湖南交通 科技 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 4 ) ： 9 1 9 3 ( 上接 第 1 5页) Ba l l i s t i c s ，I n t e r l a k e n，S wi t z e r l a n d，71 1 Ma y 2 0 01 5 邰永 刚， 张 绍理 ， 高水 德 高 防护等 级 钢护 栏 改造方 案研 究 J 公路工程 ， 2 0 0 9， 3 4 ( 2 ) ： 1 4 01 4 3 6 邰永刚 ， 刘小勇 ， 张颖 ， 等 车辆碰撞护栏对 桥梁翼缘板 的影 响研究 J 公路工程 ， 2 0 1 0， 3 5 ( 3 )： 8 18 4 7 李志锋 ， 邰永刚， 张颖 ， 等 高速公路 波形梁 护栏改造方案研 究 J 汽车技术 ， 2 0 0 6 ， ( Z 1 ) ： 8 9 9 1 8 赖友兵 ， 王婷静 ， 王江平高等级公路路桥过渡段护栏结构设 计 J 公路 ， 2 0 0 8 ， 0 3 ： 1 21 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m