折线先张法预应力混凝土梁长期变形试验研究.pdf

2 0 1 3年 第 7期 (总 第 2 8 5期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 3 ( T o t a l N o 2 8 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 C0NCRETE P RODUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 3 1 折线先张法预应力混凝土梁长期变形试验研究 王俊 1 I 2 ，尚世字 。刘立新 ( 1 许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 4 6 1 0 0 0 ；2 郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 通过对两根置于室内近似标准环境 、 一根置于室外 自然环境 中的长 7 5 m折线先张法预应力混凝土梁长期加载 ， 对跨 中挠度进行了 6 0 0 d的量测 ， 绘制了跨 中长期挠度及长期挠度系数时程曲线 ， 对其影响因素进行分析 。 采用 D a t a fi t 软件对长期挠 度系数时程规律进行了数值分析， 建立了以混凝土徐变“ 先天理论” 为基础的长期挠度系数工程实用表达式。 对该公式进行了精 度分析表明误差在 l 0 以内， 并指出了其该类梁长期挠度增大系数终值 讯可取为2 1 5 ， 可供折线先张法预应力混凝土梁进行长 期挠度预测时参考。 关键词： 桥梁工程 ；折线先张法预应力混凝土梁；长期挠度系数；先天理论；实用表达式 中图分类号： T U5 2 8 7 9 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 1 1 0 0 4 E x p e r i me n t a l s t u d y o n l o n g - t e r m d e f o r ma t i o n o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a ms wit h pr e t e n s i o n e d b e n t - u p t e n d on s WANG J u n ， SHANG S h i yu ， LI ULi x i n ( 1 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n ， X u c h a n g U n i v e r s i t y ， X u c h a n g 4 6 1 0 0 0 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o uUn i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： By o bs e r v i n g d e f o r ma t i o n o ft h r e e s i mp l e s u pp o se d pr e s t r e s s e d c o nc r e t e b e a ms u nd e r l o n g - t e rm l o a d i n g a bo ut 6 0 0 d who s e s p a n we r e 7 5 m an d e q u i p e d wi t h p r e t e n s i o n e d b e n t - u p t e n d o n s ， a l s o t wo o f the m we r e p u t i n s t an d a r d i n d o o r c u r i n g e n v i r o n me n t a n d the othe r o ne wa s p u t o u t do o r t h e l o ng t e rm d e fle c tio n i n di f f e r e nt t i me wa s o b t a i n e d an d the t i me - h i s t o r y c u r ve s o f l o n g - t e rm de fle c ti o n c Oe f - fi c i e n t i n mi d s p an s e c t i o n we r e p l o t Ut i l i z i n g Da tafi t s o f t w a r e ， l o n g - t e rm d e fl e c t i o n c o e ffi c i e n t e q u a t i o n o f the tes t b e am s wa s fl i e d ， an d t h e e q ua t i o n mo d e l of l o n g - t e r m de fle c t i o n c oe ffi c i e nt wa s put f o r ward， wh i c h wa s b a s e d o n “ g e n e og e n o us the o ry ”a b o ut c o n c r e t e c r e e p M o r e o v e r ， the e n d v a l u e o f l o n g ter m d e fl e c ti o n c o e f fi c i e n t 叼 日c o u l d b e c o n s i d e r e d t o b e 2 1 5 K e y wo r d s ： b ri m e n g i n e e r i n g ； p r e s t r e s s e d c o n c r e te b e a m w i t h p r e t e n s i o n e d b e n t - up t e n d o n s ； l o n g t e rm d e fl e c ti o n c o e ffic i e n t ； g e - ne o ge n ou s t h e o ry ； e n g i ne e rin g p r a c tic a l e x pr e s s i o n 0 引言 折线先张法预应力混凝土梁通过预应力钢束线型的 改变 实现 了对外荷载 的有效平衡 ， 避 免了后张法技 术 中 诸如 影响结构耐久性 的管道灌浆不密实 、 张拉端 局压过 大 而引起 的混凝 土破 坏等技术难题 ， 有着广泛 的应 用前 景。 青藏铁路中的 2 4 m折线先张梁 1 ， 桐柏淮河公路桥中 3 5 m 跨折线先张箱 梁等均 已成功实 践2 】 。 当前 ， 桥梁结构 长期 变形 因超 过设计 预期而 引发 了很 多问题 。 如造成桥 梁在运营期 间的维护费用增 大 ， 甚 者 由于长期 挠度过 大 而使其运营 中断。 因此 ， 对折线形配筋的预应力混凝 土梁 的长期变形特 征进行试验研究有 重要意义 。 本研究通 过 对两根置 于室 内近似标准环 境 、 一根置 于室 外 自然环 境 中 的 7 5 m跨折 现先张法 预应力混 凝土 梁长期加 载 ， 对 跨中挠度进行了6 0 0 d的观测， 对跨中长期挠度及长期挠 度 系数进行 了研究 ； 采用 D a t a fi t 软件对该类梁 的长期挠 度系数时程规律进行了数值拟合， 对折线先张梁建立了 以混凝土徐变“ 先天理论 ” 为基础 的长期挠度系数工程实 用表 达式。 结合试验 梁的实测结果对该表 达式进行 了误 差分析 ， 表明该公式精度较高， 后期挠度预测误差均在 l 0 以内 ， 可供该类梁在 进行长期挠度控制 的设计 或预测时 参考。 1试验 概 况 1 1 构件制作 试验梁几何尺寸 2 0 0 m mx 4 0 0 m mx 7 5 0 0 mn l ， 计算跨 度 7 2 m， 预应力钢绞线为 l 5 2 ( 1 x 7 ) 1 8 6 0 MP a ， 0 7 。 非预应力筋及箍筋均采用 H R B 5 0 0级钢筋， 箍筋用 8 2 0 0 1 0 0 ， 钢绞线和非预应力筋保护层厚度分别为 5 0 、 2 5 1 D l n ， 试验梁预应力筋线形及截面如图 1 、 2 所示。 张拉完 成即时浇筑 C 5 0 混凝土 3 - 4 ， 自然条件养护 2 8 d 后放张， 混 凝土配合 比如表 1 所示 。 收稿 日期：2 O l 3 _ JD l - 3 O 基金项目：河南省教育厅科学技术研究重点项 目( 1 2 A 5 6 0 0 0 9 ) ； 许昌市科技攻关重点项 目( 2 1 2 7 ) l 1 O ( a ) X P B 1 ，XP B 2 ( b ) XP B 3 图 1 试验梁截面图( 单位 ： mm) 图 2 折线先张梁钢绞线线形图( 单位 ： mm) 表 1 C 5 0 级混凝土配合比 用材料 水泥 砂 石子 水 粉煤灰 减水剂 ( k g m )4 6 0 5 9 0 1 0 6 4 1 8 5 1 1 5 1 0 4 加载及量 测方案 式 验梁放张后 吊装至橡胶支座上呈 简支状态三分点 l 载 ， 跨 中挠度采用 防锈蚀 百分表测定 ， 试验梁加载 虱、 实物 图如图 3 所示 。 试 验梁跨 中截面初始挠度如 斤 示 。 ； ； 图 3加载及量测方案( 单位 ： mm) 表 2 二次加载后跨中截面变形 加 载环境 苷X P B 2放置在室外 自然环境 中 ； 将 X P B1 、 XP B 3二 -戋 后放置在室 内近似标准环境 中， 环境条件 可通过专 调节温 、 湿度。 加载现场图片如图 4所示。 ( a ) 室外梁 (b ) 室内梁 图4 室外梁与室 内梁加载环境 寸 两组试验环境 的温 、 湿度进行了 6 0 0 d的实测 ， 绘制 湿度时程曲线如图 5 所示 。 从温度时程图 5 ( a ) 中可看 出 ： 室外环境 温度 随天气 的变化有较大波 动 ， 最高温差与 最低温差达 3 5， 年平均温度约为 2 0 5。 置于室 内环境 的试验梁 X P B 1 、 X P B 3 ， 除试验初期调试期 间的环境温度高 于 2 0外 ， 其后的环境温度均保持在 ( 2 0 3 ) 范围内 ， 年 平均温度为 2 1 。 从相对湿度时程 图 5 ( b ) 中可看出 ： 置于 室外环境的 X P B 2 梁 ， 其环境相对湿度随天气 的变化有较 大波动 ， 相对湿度最高值与最低值相差约 7 5 ， 年平均相 对湿度约为 5 5 。 置于室 内环境 的试验梁 X P B 1 、 X P B 3 ， 除 试验初期调试期 间的环境相对湿度低 于 8 0 外 ， 后期环境 相对湿度均维持在 8 0 左右 。 40 3 5 30 芝2 5 越 2 O 赠 1 5 10 5 0 1 0 O 8 0 、 6 O 赠 莨 4 O 2 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 持 荷时 间 d ( a ) 试验梁温度时程图 O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 持荷时间 d f b ) 试验 梁相对 湿度 时程 图 图 5试验 梁温 度 、 相 对湿 度 时程 曲线 2试 验研 究 2 1 长期挠度及 长期挠度 系数 对三片试验梁跨 中挠度进行 了长约 6 0 0 d的观测 ， 绘 制 了试 验梁 在预应力 和二次荷载共 同作用下跨 中挠度增 量时程关系曲线和长期挠度系数( 跨 中挠度增量与初始 弹 性挠度 的比值 ) 时程关系曲线 ， 如图 6 所示 ； 试验梁有代表 性时段的长期挠度系数 比值如表 3 所示 。 持荷初期 ， 跨 中截面挠度增量较快 ， 尔后挠度发展变 缓 ， 并 趋于稳定 。 持荷前 3 0 d ， X P B 1 、 X P B 2 、 X P B 3挠度增 加值分别为 1 7 4 、 3 5 2 、 1 7 9 m m， 分别约为初始弹性挠度 的 7 7 、 8 0 、 9 9 。 根据规范 C E B F I P MC 9 0 ， 取第一年的挠度 增量值 约为挠度增量终值 的 7 1 t 5 - 6 ， 则持荷前 3 0 d的挠 度增量约为挠度增量终值的 3 6 。 持荷 9 0 d时， X P B 1 、 X P B 2 、 X P B 3 挠度增加值分别为 2 6 5 、 4 5 5 、 2 2 8 n l n l ， 分别约 为初始弹性挠度的 1 1 8 、 1 0 5 、 1 2 6 。 持荷 1 8 0 d 时 ， X P B 1 、 X P B 2 、 X P B 3挠度增加值分别为 2 9 1 、 5 7 0 、 2 4 7 m i ll ， 约为 初始弹性挠度的 1 2 9 、 1 3 0 、 1 3 7 ， 约为挠度增量终值 的 6 0 。 持荷 6 0 0 d时 ， X P B1 、 X P B 2 、 X P B 3 挠 度增加值 分别 为 4 0 3 、 7 4 6 、 3 8 6 m m， 分别约为第一年挠度增量的 1 1 1 、 1 1 3 、 1 1 8 、 1 0 5 ； 约为初始弹性挠度 的 1 7 9 0、 1 7 1 、 2 1 4 、 1 8 5 ； 约为挠度增量终值的 8 0 。 由于加载环境 条件 的差 异 ， 放 置在室外 环境 中的梁 X P B 2 ， 其长期挠度系数 比放置在室内近似标准条件的 X P B 1 、 1 1 1 面 8 ： 5 卷 蜒 3 姜 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 持 荷时 间 d ( a ) 试 验梁跨 中挠度 增量时程 曲线 2 5 2 - O 鉴 0 5 U l 0 0 200 3UU 400 500 O UU 持荷 时间 ， d ( b ) 长期挠度系数时程曲线 图 6 试验梁跨中挠度增量和长期挠度系数时程曲线 表 3 试验梁不同时段长期挠度系数试验值对照 加载持时 7 d 3 0 d 9 0 d 1 8 0 d 3 6 0 d 5 9 0 d ( ) X P B 1 0 6 3 O 8 2 1 2 1 1 3 0 1 6 7 1 7 5 ) X P B 2 0 5 0 O 8 8 1 2 2 1 5 3 1 7 6 1 9 4 0 7 9 1 O 7 1 O 1 1 1 8 1 0 5 1 1 1 ( ) X P B 3 0 7 9 1 0 2 1 3 1 1 4 3 1 7 5 1 8 1 Q 1 2 5 1 2 4 1 0 8 1 1 0 1 0 5 1 0 3 X P B 3 值略大 。 但试 验梁长期挠度系数时程曲线受环境 因 素的影响并不明显。 从表 3中看 出， 试验梁持荷前期 9 0 d ， 三片梁长期挠度系数差值较大 ， 持荷 9 0 d后 ， 梁之间长期 挠度系数 比值较接近 ， 且趋 于稳定 ： 持荷 1 8 0 d时 ， X P B 2 、 X P B 3 与 X P B 1 的长期挠度系数比值分别是 1 1 8 、 1 1 0 。持 荷 3 6 0 d 时 ， X P B 2 、 X P B 3 与 X P B 1 长期挠度系数 比值分别 是 1 0 5 、 1 0 5 。 持荷约 6 0 0 d 时 ， X P B 2 、 X P B 3与 X P B 1 的长 期挠度系数 比值分别是 1 1 l 、 1 0 3 。 因此 ， 结合图 5 、 表 3 数据分析可知 ， 加载环境 因素对 预应力梁长期挠度 系数的影响不甚 明显 ； 加载持续时间是 影响长期挠度系数的主要因素 。 2 2长期挠度 系数 时程规律 试验梁长期挠度系数随持荷时间增加而趋于稳定 ， 荷 载持续时 间是影 响长期挠度系数值 的最主要 因素 。 采用 D a t a fi t 软件 ， 对三片折线先张梁的长期挠度 系数试验实测 值与加 载持续 时间之 间的数值关 系进行 多次试算嗍 ， 采 用 双 曲线幂函数 形式能较为客观 的反映长期挠度系数与持 荷时间的数值关系 ， 将三片折线先张梁长期挠度 系数拟合 方程的计算值和试验实测值进行对比， 如图 7 所示。 从 图 7中看出 ， 试验梁的拟合公式值与试验值 比较接 近 ， 说 明拟合公式能较为客观的反 映试验梁长期挠度系数 试验数据的时程规律 。 试验梁拟合方程的数值分析如表 4 所示 ， 拟合公式的标准差较小 ， 相关 系数较高 ， 说明拟合方 程精确程度可满足工程应用 的需要 。 运用 由图 7拟合式计 算至加 载 7 0 年 的长期挠 度系 1 1 2 2 0 篓 受 o - s 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 持荷 时间 ， d f a ) XP B1 长 期挠度 系数 2 0 1 5 蓑 受。 一 s O 2 0 o 受。 一 s 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 持荷时 间 d ( b ) X P B 2 长期 挠度 系数 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 持荷 时间 ， d ( c ) XP B 3 长期挠度系数 图 7 折线先张梁长期挠度系数拟合值与试验实测值对照图 表 4 试验梁长期挠度系数拟合公式数值指标 注： 取值同图 7 ； 系数终值是计算至持荷 7 0 年的徐变系数值。 数， 三片试验梁 的长期挠度 系数终值均在 2 0 左右。 X P B 2 在 室外 自 然环境中长期加载， 加载环境与具体工程更加接近， 其长期挠度系数终值更能反映实际工程 中折线先张梁长 期挠度 的发展情况 ， 故本试验建议对折线先张法预应力混 凝土梁 ， 可取长期挠度系数终值为 2 1 5 。 2 3 基 于混凝土徐 变“ 先 天理论” 的 长期 挠度 工程 实用表达式 对于混凝土梁长期挠度计算 ， 我 国不同规范规定的计算 方式不同， 计算结果差异也很大 。 T B 1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 我国铁 路规范中没有明确给出长期挠度的计算公式9 ； J T G D 6 2 2 0 0 4现行的公路规范 中采用短期挠度值乘以长期挠度增 长系数； G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 现行混凝土设计 规范通过长期 挠度影响系数来考虑荷载的长期作用 ， 对预应力梁长期挠 度计算 时可取 2 0 【 n 。 规范给定 的长期挠度计算方法 ， 只能 计算出长期挠度 的终值 ， 不能反映长期挠度的时随特征 ， 也 不能反映长期挠度 的影响因素。 托马斯( F G T h o ma n s ) 从徐变速率考虑 ， 在 1 9 3 3年首 先提出了指数函数表达式 ， 这是混凝土徐变“ 先天理论” 的 雏形； 麦克亨利( D Mc H e n r y ) 在 1 9 4 3 年提出以下假定 ： 混 凝土受荷后将产生一定量 的徐变 ， 加载 t 时刻后的徐变率 将与剩余或将要产生的徐变量成正比， 即不同龄期加载的 混凝土 ， 其徐 变增长规律都相同 ， 这就是 “ 先天理论 ” 同 。 该 理论不能反映加载龄期的影响 ， 只能近似地适用于混凝土 晚龄期加 载的情 况 ， 在公路或铁路桥梁工程 中 ， 二期恒载 多是在混凝土晚龄期施加。 如果近似忽略预应力与二期恒 载施加时混凝土龄期的差异 ， 对折线先张法预应力梁长 期挠度的计算时， 可近似依据“ 先天理论” ， 来建立折线先 张梁的长期挠度系数表达式 。 通过对三片试验梁长期挠度系数 时程 曲线分析可知 ， 构件使用环境因素对其长期挠度系数的影响不大加载持 续 时间是 影响预应力梁长期挠度系数 的主要 因素。 从 图 6 及 表 4的分析可知 ， 采用双曲线幂 函数表达式可以较客观 的反映长期挠度系数 的时程规律 ， 三片折线先张梁的长期 挠度系数表达式相似 ， 且长期挠度终值 比较接近。 于是可建 立 以“ 先天理论 ” 为理论基础的 、 不考虑加载龄期差异影响 的长期挠度系数表达式 ， 如式( 1 ) 所示 。 r十 +、 0 6 ( ， t 0 ) = 2 2 0 x ( 1 ) 十Lt ， t o 一 2 4误 差 分析 对式( 1 ) 长期挠度系数表达式进行精度分析 ： 将三片 梁 X P B1 、 X P B 2 、 X P B 3 长期挠度系数 的试验值 、 式 ( 1 ) 的计 算值 、 以及式 ( 1 ) 计算 值的 + 1 0 、 一 1 0 共 6 组 曲线 的时程 规律进行对 比， 如图 8 所示 。 2 2 2 0 1 8 氆 鲢1 2 耀 1 0 0 4 O 2 U l U,9 200 jOU 4UU UU bU U 持荷时间， d 图 8 式( 1 ) 预测长期挠度系数的误差分析 从 图 8中看 出， 采用式 ( 1 ) 进行 折线先张梁 的长 期挠 度系数时程数值估算和预测， 在加载前 2 5 0 d 之内时， 试验 梁 长期 挠度 系数实测值 有个别点 误差较 大 ， 但误 差均 在 一 1 5 - + 1 0 范 围内。 加载 2 5 0 d后 ， 试验 梁长期挠度 系数 趋 于稳定 ， 并趋 于集 中 ， 试验值 均介入 在式 ( 1 ) 计 算值 的 9 0 l 1 0 范 围内。 在预应力桥梁结构徐变变形 预测 中， 由 于徐变影 响因素的复杂性 和多样性 ， 任何一种徐变计算模 式对徐 变变形 的预估都 不可能做 到十分精 确 ， 误 差大 多 在土 2 0 范围 内时人们可以接受 1 1 。 因此 ， 对折线先张梁 的 长期挠度系数 ， 采用式( 1 ) 是可行 的， 其计算精度可满足工 程需要。 3 结论与建议 ( 1 ) 加载环境对折线先张预应力梁长期挠度 系数 的影 响不大 ， 加载持续时间是主要影响因素 。 ( 2 ) 建立 了以“ 先天理论” 为基础长期挠度系数 的双曲 幂函数表达式 ， 并对该公式进行了误差分析 ， 指出了该 公 式对试验梁长期挠度系数时程值与终极值的计算误差均 在一 1 5 - 1 0 范围内， 可满足工程应用的需要。 ( 3 ) 对三片折线先张梁的长期挠度系数时程曲线的研 究表 明 ： 对折 线先张梁 ， 建议其长期挠度增 大系数终极值 可取为 2 1 5 。 参考文献： 【 1 】王俊， 刘立新 折线先张全预应力梁徐变曲率试验研究 公路 交通科技 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 2 ) ： 3 9 4 3 2 王俊 折线先张法预应力混凝土梁徐变性能研究 D 郑州大学， 2 011 3 】刘数华， 顾庆， 刘昌清基 于结构徐变的混凝土配合比设计 混 凝土 ， 2 0 1 0 ( 9 ) 4 刘立新， 赵静超， 王俊 折线先张预应力混凝土简支梁徐变挠度 试验研究f J J 建筑结构， 2 0 0 9 ( 2 ) 5 范立础桥梁工程 M 】 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 1 ： 2 7 2 2 9 4 6 】周履， 陈永春收缩徐变 M E 京： 中国铁道出版社， 1 9 9 4 【 7 】C EB F I P Mo d e l c o d e f o r e o n e r e t e s t r u c t u r e 1 9 9 0 S P a r i s ， 1 9 9 0 ： 5 3 5 8 8 】王俊， 刘立新 折线先张预应力混凝土梁徐变试验研究 J 】 建筑 科学 ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 9 ) ： 7 - 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