预加力对开裂预应力混凝土梁体刚度效应的影响分析.pdf

5 O 世 界 桥 梁 2 0 1 6 ， 4 4 ( 1 ) 预加 力对 开裂预应 力混凝土梁体 刚度效应 的影 响分析 刘 志华 - u ( 1 桥梁工程 防灾减灾山西省重点实验室， 山西 太原 0 3 0 0 0 6 ； 2 黄土地 区公路建设与养护技术 交通行业重点实验 室， 山西 太原 0 3 0 0 0 6 ； 3 山西省交通科学研究院， 山西 太原 0 3 0 0 0 6 ) 摘 要 ： 为了研 究预加力对预应力混凝 土梁桥开裂梁体刚度效应的影响 ， 以公路桥 梁中常用 的预应力混凝 土小箱梁 和 T梁为 研究对象 ， 基于设计规范 中开裂预应力混凝土受弯构件 刚度计算原理 ， 采用统计 分析 、 室内试验梁 和实桥试验相结 合方法 ， 分 析开裂预应力混凝 土梁受拉区预压应力与梁体短期抗弯刚度 的关系 。结果表明 ： 小箱梁 和 T梁受拉 区混凝土 开裂后 ， 随预加 力在受拉 区混凝土所产生预压应力的增大 ， 开裂梁 体短期抗 弯刚度 提高 ； 对于开裂 预应力 混凝土梁 桥 ， 采用增设 体外预 应力 钢束 的加固方法进行加 固， 可以有效 地提高梁 体短期抗 弯刚度 ， 较好地抑制梁体受力裂缝 的发展 。 关键词 ： 预 应力混凝土梁； 开裂 ； 预 加力； 刚度效应 ； 开裂弯矩 ； 短期抗 弯刚度 ； 理论分析 ； 试验 中图分类号 ： U4 4 8 3 5 ； T U3 1 l _ 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 5 0 0 5 1 引 言 预加力对混凝土梁抗弯刚度的影响一直是研究 的焦点问题 。国内外学者在不同时期提出过预应力 度与混凝土梁抗弯刚度有关系 的观点 ， 但仍存在不 少 争议 的地 方 ， 能被 广 泛 认 可 的 数学 力 学 模 型 一 直 未 能建 立 _ 】 。对 于预 应力混 凝 土 梁桥 的损 伤 开 裂 主梁 ， 国内外多数桥梁规范 中在计算 主梁抗弯刚度 时没有 考 虑 预 应 力 度 对 刚 度 的 影 响_ 5 。 目前 ， 对 于普通钢筋混凝土梁 和预应力混凝土梁 刚度的计 算 ， 主要有以下几种方法 ： 前苏联穆拉谢夫教授提出 的解析法 、 美国 D E B r a n s o n教授提出的有效惯矩 法 、 英 国 C P 一 1 1 O规 范 采 用 的 等 效 拉 力 法 等 ， 我 国 混凝土结构设计规 范 ( GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 对于预 应力混凝土构件的短期抗弯刚度计算理论则是在理 论 与试 验相 结合 的基 础上 提 出的 。为 了研 究预 加力 对预应力混凝土梁桥开裂梁体刚度效应的影 响， 本 文在 混凝 土结 构 设 计 规 范 ( GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 有 关计算原理的基础上， 通过室 内外试验 ， 研究预加力 对已开裂预应力混凝土梁体抗弯刚度的影响。 2开裂预应力混凝土梁抗弯刚度计算基本原理 混凝 土结构设计规 范 ( GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 中 将带裂缝的预应力混凝土梁视为变刚度构件 ， 弯矩 与曲率曲线由双折线组成 ， 双折线 的交点位 于开裂 弯矩 M 处。对于使用阶段 已经出现裂缝的预应力 混凝土梁 ， 其开裂截面区段 的短期抗弯刚度 B 。 与开 裂弯矩 Mc 和截面上所受弯矩 Ms 的比值有关 ， 即： No y1 1 、 ( U 一 叫一1 一 ( 1 0 + ) ( 1 + O 4 5 7 ) - 0 7( 2 ) Mc 一 ( 。 + 7 f k ) W。 ( 3 ) 式 中 ， B 。 、 B 。 分 别 为开裂 混凝 土梁 的短 期抗 弯 刚 度 、 全截面抗弯刚度 ； 分别为混凝土梁的纵 向受拉 钢筋配筋率和抗裂边缘混凝土预压应力。其余参数 含 义见 规范 _ 8 。 c u与预应力混凝土梁配筋率和截面特性有关 ， 通过对 目前公路桥梁 中常用的预应力混凝土小箱梁 和 T梁进行统计分析， 其纵向的构造和受力钢筋配 筋率 P均 在 0 0 1 1 0 0 1 3之 间， 故 叫 3 。从式 ( 1 ) 、 式 ( 3 ) 可 以看 出 ， 预 应 力混 凝 土 小 箱 梁 和 T 梁 的短期抗弯刚度 B 随截面受拉区预加力所产生的 预 压应力 增 大 而增大 。分 析表 明 ： 对 于预 应 力 混 凝土梁桥 中常用的小箱梁和 T梁 ， 在 因预应力度不 足或超载作用而使受拉 区混凝 土开裂后 ， 其梁体刚 度 B必然会降低 ， 这时预应力混凝土梁体的短期抗 弯刚度 B。 与预加力在受拉 区混凝土所产生预压应 力的大小有直接关系， 即随着预加力在受拉 区混凝 土所产生预压应力的增大， 预加力对开裂混凝 土梁 体的刚度效应会进一步增强， 提高其短期抗弯刚度 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 6 2 5 基金项 目： 山西省交通运输厅科技项 目( 2 0 1 3 1 6 ) 作者简介 ： 刘志华( 1 9 7 4 一) ， 男， 高级工程师 ， 1 9 9 9年毕业于重庆交通学院桥梁工程 专业 ， 工学学士( E ma i l ： l i u z h i h u a 5 2 1 8 1 6 3 c o m) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 预加力对 开裂 预应 力混凝土梁体刚度效应的影响分析 刘志华 5 1 改善梁体受力性能E 。 3 预加 力对 开裂混凝 土梁抗弯 刚度影响的室 内试 验 3 1 试验梁的制作 为进一步了解预应力混凝土梁体开裂后预加力 大小对抗弯刚度效应 的影响及其变化规律 ， 制作 了 2片相 同的矩 形试验 梁。试验 梁长、 高、 宽分 别为 8 0 0 c m、 5 0 c m、 3 0 c m， 混凝土采用 C 5 0 ， 预应力钢束 ( 见图 1 ) 采用 3根 1 5 2 4钢绞 线， 纵 向钢筋采用 1 6的 HR B 3 3 5 钢筋 ， 箍 筋采用 郑 的 HP B 2 3 5 钢筋 。 图 1 1 2试验梁 的预应 力钢束布 置 3 2 试 验测 点布 置 制作试验梁时， 在跨 中预埋 了应力 ( 应变) 测试 元件( 见图 2 ) 。对于 已经开裂的预应 力混凝 土梁 ， 由于 裂缝 处 混 凝 土 不 能 承受 拉 应 力 ， 因 此 应 力 ( 应 变) 测试元件除受压区采用表面式应变计外 ， 受拉区 应力( 应变) 测量元 件主要采用埋置式钢筋应 变计 ( 见图 3 ) ， 并辅 以大标距 弓形应变计进行验证。挠度 测点主要布置在试验梁 L 4 、 L 2 、 3 L 4和支点位置。 注： + 为体内钢筋应变测点位置； 一 为体内混凝土应变测点位置； 一 为体外混凝土应变测点位置a 单位： cm 图 2 试验梁跨 中横断面应变测点布置 图 3 试 验梁体 内钢筋计布置 3 3 试验方法 为了模拟不同预加力对开裂梁体抗弯刚度效应 的影响， 先对 1号梁 、 2号梁分别加载至开裂 ， 然后 分 3种工况施加预加力 ， 通过在跨 中梁顶面的千斤 ( b )卜1 截面( c )2 - 2 截面 单位 ：a m 顶分级加载 ， 测试各级荷载作用时试验梁跨 中截面 应力( 应变) 及测试断面挠度的变化。其中， 工况 1 、 2 、 3张拉控制应力分别 为 7 1 6 1 MP a ( 0 3 8 5 f y k ) 、 8 1 8 4 MP a ( 0 4 4 f y k ) 、 1 0 2 3 0 MP a ( 0 5 5 f y k ) ， 张 拉 锚固后波纹管内不注浆 ； 试验梁加载的最大荷载为 1 8 0 0 k N， 换算跨中计算弯矩为 3 3 7 5 k N m。 3 4 试 验结 果及 分析 1 号 、 2号 试 验 梁 的试 验结 果 基本 一 致 ， 本 文 以 1号试验梁的试验数据为例进行分析 。 3 4 1应变 试验梁跨 中截面上缘试验弯矩混凝土压应变 曲线如图 4所示 ， 试验梁跨 中截面下缘试验弯矩 钢筋拉应变曲线如图 5所示。 试验 雩矩 k Nm 图 4 试验梁跨中截面上缘试验弯矩混凝土压应变 曲线 分析 图 4 、 图 5可知 ： ， ( 1 )在 消压 弯矩前后 曲线 的斜率逐 步发生变 化， 表明试验梁跨中截面消压后 ， 开裂混凝土无法承 受拉应力 ， 裂缝重新发展 ， 截面刚度随之下降。 ( 2 )随着试验梁受拉区混凝 土预加力 的增大 ， 在相同试验弯矩作用下同一测点的应变明显减小 ， 工况 2比工况 l 下缘钢筋应变平均减小 1 5 左右 ， 工况 3比工况 1下缘 钢筋 应 变平 均 减 小 3 0 左 右 ， 0 的 一 一 3 n 一 趟州 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 世 界 桥 梁 2 0 1 6 ， 4 4 ( 1 ) 0 毯 摇 器 试验弯矩 k Nm 图 5 试 验梁跨中截面下缘试验弯矩钢筋拉应变 曲线 表明由于试验梁跨中截面下缘受拉区混凝土预压应 力增大， 对预应力混凝土裂缝产生约束 ， 截面刚度效 应增强， 短期抗弯刚度增大。 ( 3 )当试验弯矩超过消压弯矩后 ， 即使预加力 增大， 截面应变降低幅度仍为减小趋势 ， 表明随着试 验弯矩的增加 ， 预加力对裂缝的约束作用逐渐减弱 ， 裂缝重新发展 ， 试验梁开裂截面刚度逐渐降低 ， 此时 其只与材料本身强度有关。 3 4 2挠度 根 据简 支 梁 挠 度计 算 公 式 ， 一 Pz 。 4 8 EI ， 挠 度 与刚度 成 反 比 ， 挠 度 的 变化 可 反 映 试 验 梁等 效 刚 度的变化规律。试验梁不同断面试验弯矩挠度曲 线分别如图 6所示 。分析图 6可知 ： ( 1 )在消压弯矩前 后 曲线 的斜率逐 步发生 变 化 ， 表明试验梁跨 中截面消压后 ， 开裂混凝土无法承 受拉应力， 裂缝重新发展 ， 截面抗弯刚度随之下降。 ( 2 )随着试 验 梁 预加 力 的增 大 ， 测试 断 面在 相 同试验弯矩下挠度明显减小 ， 工况 2比工况 1 挠 度 平 均减 小约 l O ， 工况 3比工况 1挠 度平 均 减小 约 2 O ， 进一步说明由于试验梁跨 中截 面下缘受拉 区 预压应力的增大， 对开裂截面裂缝产生约束 ， 预应力 混凝土梁截面刚度效应增强 ， 抗弯刚度相应提高。 ( 3 )随着试验弯矩的增 大， 在不 同工况下试 验 梁挠度减小幅度呈减小趋势， 表明随着试验弯矩增 加 ， 预加力对裂缝的约束作用逐渐减弱 ， 裂缝重新发 展 ， 截面刚度逐渐降低 ， 此时， 试验梁测试断面的挠 度大小已与预加力大小关系不大 ， 只与材料本身强 度有 关 。 4 预 加力对开 裂混凝土梁 抗弯刚度影 响的实桥试 验 4 1 工程背景与加 固方案 为 了进 一 步验 证 研究 成 果 ， 在 山西 的一 座 实 桥 ( 见图 7 ) 上进行 了试验。该桥全长 3 0 6 m， 桥面净宽 2 1 O 2 5 m； 上部结构采用 5 3 0 1 3 3 +5 3 0 m 先 昌 昌 嚣 一 亘 耀 0 6 O l 1 0 1 6 0 2 1 0 2 6 0 3 1 0 3 6 0 试验弯矩 k N in ( a )L 4 断面 试验弯矩 k N m ( b )L 2 断面 试验 弯矩 k N m ( c )3 L 4 断面 图 6试验梁不 同断面试验弯矩 挠度 曲线 图 7实桥 简支后连续预应力混凝 土小箱梁， 下部结构采用矩 形实体墩、 肋板台、 钻孔灌注桩基础 ； 桥梁设计荷载 为 公路 一 I级 。 在桥梁静载试验前发现， 该桥左幅第 1跨第 O 1 唱 喜 ； 伽枷姗季 珊瑚mo 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 预加力对开裂预应力 混凝 土梁体刚度效应的影响分析 刘志华 5 3 5跨跨 中部位的腹板均有竖 向裂缝 ， 且部分裂缝 已 了有效抑制 ， 裂缝宽度大大减小 ， 加载过程中基本没 延伸到底板 。在静载试验过程 中发现主梁跨中截面 有变化 。 应力( 应变) 和纵 向挠度校验 系数均偏大 ， 甚至大于 荷载作用下各测点挠度结果如表 1 所示。分析 理论值 。据此判断 ， 该预应力混凝 土小箱梁的预应 表 1可知： 力度未达到设计要求或因重载作用使梁体受损 ， 主 ( 1 )该桥第 1 跨至第 5跨加 固前平均挠度校验 梁的截面抗 弯刚度和受力性 能 已不能满足设 计要 系数主要集 中在 0 8 6 1 0 8范围内， 加 固后平均挠 求 ， 需要采取合适 的加 固方法 ， 以提高主梁抗 弯刚 度校验系数主要集 中在 0 6 5 0 8 6范围内， 较加固 度 ， 恢复其正常使用状 况下 的受力性能。通过研究 前减小约 2 0 ， 已基本恢复到正 常状态 ， 说 明加 固 分析 ， 决定采用增设体外预应力钢束 和粘贴碳纤维 后小箱梁的抗弯刚度有较大提升 。 布相结合的方式对该桥主梁进行加固。通过增加主 ( 2 )该桥加固后有些主梁的挠度校验系数仍然 梁梁底受拉区混凝土预压应力 ， 提高其开裂弯矩 ， 以 偏大， 其原因主要 由于加固前测试断面已出现较大 达到提高主梁短期抗弯刚度 的 目的， 从而改善主梁 裂缝 ， 而预应力混凝土梁一旦 出现裂缝 ， 不论采用何 正常使用状态下的受力性 能； 通过 粘贴碳纤维布辅 种加固方法 ， 都不能从根本上消除已有裂缝 ， 只能使 助性地抑制腹板裂缝的进一步发展 。 裂缝变化相对减小 ， 其抗弯刚度得到适当改善 ， 无法 4 2 试验方法及结果 恢复到梁体开裂前 的刚度和受力性能。 该桥加固前后均分三级进行加载测试 ， 因加 固 前 后加 载试 验无 法 在 短 时 间 内完 成 ， 加 固前 后 所 采 5 结论 用 4辆 加载 车 的重 量 不 一致 ， 造 成 2次试 验 的理 论 本 文针 对预应 力 混凝 土梁桥 ， 通过 理论 分析 、 室 计算值有差异 ， 但对校验系数的影响不大， 因此可对 内试验和实桥试验， 分析研究 了预加力对开裂预应 加 固前后主梁挠度校验系数进行对 比分析来验证加 力混凝土梁体刚度效应 的影响 ， 得 出了如下结论 ： 固效果 。 ( 1 )对于预应力混凝土梁桥中常用的小箱梁和 在加载过程中发现， 主梁腹板 的原有裂缝得到 T梁， 当预应力度不足或外部荷载作用下受拉 区混 表 1 荷载作 用下各测 点挠度 结果 测点位置 加固前挠度 加 固后挠度 实测值 mm计算值 ram 校验 系数 平均校验系数 实测值 ram计算值 mm 校验系数 平均校验系数 1 号梁 第 1 跨 2号梁 3 L 8断面3号梁 4号梁 1 号梁 第 2 跨 2号梁 L 2断面 3号梁 4号梁 1 号梁 第 3跨 2号梁 L 2断面 3 号梁 4号梁 1号梁 第 4 跨 2号梁 L Z断面 3号梁 4号梁 1号梁 第 5跨 2号梁 5 L 8断 面 3号梁 4号梁 一 5 2 5 6 5 4 6 4 8 5 3 5 5 1 1 5 9 5 5 9 6 5 O 5 5 1 4 6 3 2 6 1 8 5 2 9 6 7 0 7 7 8 7 4 7 5 9 2 7 0 4 8 1 2 7 8 4 6 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 世 界 桥 梁 2 0 1 6 ， 4 4 ( 1 ) 凝土开裂后 ， 其梁体刚度必然会降低 ， 而其短期抗弯 刚度与预加力在受拉 区所产生预压应力大小有直接 关系。随着受拉区预加应力的增大 ， 可以有效地限 制裂缝的开展 ， 提高梁体短期抗弯刚度 ， 改善梁体受 力性能 ， 但无法使梁体 完全恢复到梁体开裂前的受 力性 能 。 ( 2 )对于预应力混凝土梁桥 ， 当其 因预应力度 不足或重载作用而使梁体开裂 ， 造成桥梁不能满足 设计要求或耐久性要求 时， 采用增设体外预应力钢 束的加 固方法 ， 不但可 以较好地抑制预应力混凝 土 梁体受力裂缝的发展 ， 而且可以有效地提高梁体短 期抗 弯 刚 度， 改善 桥 梁运 营状 况 ， 延 长桥 梁 使 用 寿命 。 参 考 文 献 ： E l i王凌波 在役预应力梁桥残 余承载 力评估方 法研究 ( 博 士学位 论文) D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 1 1 2 叶见曙 ， 张峰预应力混凝 土连续箱 梁开裂后 的刚度 退化模型 J 中国公路学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 6 ) ： 6 7 7 2 I- 3 Ts u t o mu Ka d o t a n i T h e I n n o v a t e d T e c h n o l o g y o n P r e s t r e s s i n g S y s t e m De v e l o p e d b y J a p a n Hi g h wa y Pu b l i c C o r p o r a t i o n C P r o c e e d i n g s o f t h e F i r s t F I B C o n g r e s s 2 0 0 2 0s a k a ：J a p a n Pr e s t r e s s e d C o n c r e t e En g i n e e r i n g As s o c i a t i o n，20 02：24 39 4 黄伟 ， 林静 ， 汪 涛 ， 等碳纤 维加 固 P C空心 板简 支梁桥应用研究E J 世界桥梁 ， 2 0 1 4 ， 4 2 ( 4 ) ： 8 9 9 3 E 5 邢兵 ， 李小珍 ， 强士 中初始应力状态对加 固后混凝土 梁力 学性 能的影 响 J 桥梁建设 ， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 5 ) ： 6 3 6 8 6 张宏祥 ， 包旭预应力损失对 连续 刚构桥 刚度 和应力 状态 的影响分析 J 世界桥梁 ， 2 0 1 4 ， 4 2 ( 1 ) ： 3 6 4 0 7 姜红光 ， 王廷 臣， 徐辉体外预应力加固混凝土简支粱 的试验研究 J 公路交通科技 ， 2 0 0 6 ， ( 3 ) ： 1 0 7 1 1 0 8 GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计 规范 I s 9 毛敏， 郭文龙 ， 吕立 宁体外 预应力加 固简 支 T梁 桥 提载效果 分析 J 山西交通科技 ， 2 0 1 4 ， ( 5 ) ： 6 O 一6 2 Ana l y s i s o f I nf l u e n c e o f Pr e a p p l i e d Fo r c e o n Ri g i d i t y Ef f e c t o f Cr a c k e d Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Be a m LI U f hu a ， ， 。 ( 1 Ke y La b o r a t o r y o f B r i d g e En g i n e e r i n g Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a n d M i t i g a t i o n o f S h a n x i P r o v i n c e ，Ta i y u a n 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a ；2 Ke y L a b o r a t o r y o f Hi g h wa y Co n s t r u c t i o n a n d M a i n t e n a n c e Te c h n o l o g y i n Lo e s s Re g i o n o f M i n i s t r y o f Tr a n s p o r t ，Ta i y u a n 0 3 0 0 0 6 ，Ch i n a ；3 S h a n x i Tr a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ta i y u a n ， 0 3 0 0 0 6， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To s t u d y t h e i n f l u e n c e o f p r e a p p l i e d f o r c e o n t h e r i g i d i t y e f f e c t o f t h e c r a c k e d b e a ms o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m b r i d g e ，t h e c o mmo n l y u s e d s ma l l p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o x b e a m a n d T b e a m i n h i g h wa y b r i d g e s we r e t a k e n a s t h e s t u d y o b j e c t s ，Th e r e l a t i o n s b e t we e n t h e p r e a p p l i e d c ompr e s s i ve s t r e s s i n t he t e ns i l e a r e a o f t he c r a c ke d pr e s t r e s s e d c o nc r e t e be a m a n d t he s h or t t e r m a n t i b e nd i n g r i gi d i t y o f t h e b e a m s wa s a n a l yz e d， b a s e d o n t h e r i gi d i t y c a l c ul a t i o n t he or y f or t he c r a c ke d b e n di n g pr e s t r e s s e d c o nc r e t e c o mpo ne nt s i n t he d e s i g n c o de a nd by t h e c o m bi ne d us e of t he s t a t i s t i c a l a na l y s i s，i n do o r t e s t i n g b e a ms a nd a c t ua l br i d ge t e s t i n gThe r e s ul t s o f t he a na l y s i s i ndi c a t e t ha t whe n t he c o nc r e t e i n t he t e ns i l e a r e a o f t he s m a l l bo x b e a m b r i d ge a n d T b e a m br i d ge c r a c ke d，t he s h or t t e r m a n t i be n di n g r i g i d i t y o f t h e c r a c ke d b e a m wa s i mpr o v e d，a s t he p r e a pp l i e d c o mpr e s s i v e s t r e s s i nd uc e d b y t he p r e a pp l i e d f o r c e i n t he t e n s i l e a r e a c o n c r e t e i n c r e a s e d Fo r t he c r a c k e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m b r i d g e ，t h e s t r e n g t h e n i n g me t h o d o f a d d i n g e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g t e n d o n s c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e s h o r t t e r m a n t i b e n d i n g r i g i d i t y o f t h e b e a ms a n d b e t t e r s up pr e s s t he p r op a g a t i o n o f t he c r a c ks i n t he be a ms Ke y wo r d s ：p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m ；c r a c k i n g；p r e a p p l i e d f o r c e ；r i g i d i t y e f f e c t ；c r a c k i n g b e n di n g m o me n t；s ho r t t e r m a nt i b e nd i n g r i gi d i t y；t he o r e t i c a l a na l ys i s，t e s t i n g ( 编辑 ： 陈雷) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m