钢混组合梁负弯矩区混凝土面板的应变收缩分析.pdf

第 4 0卷 ， 第 4 期 2 0 1 5年 8月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 4 0，No 4 Au g， 2 0 1 5 钢 混组合梁 负弯矩 区混凝土面板的应 变收 缩分析 汪 迎红 ( 贵州交通职业技 术学院 ， 贵州 贵 阳5 5 0 0 0 8 ) 摘要】设计室 内模型试验 ， 测试在不 同荷载作用 下混凝 土板 的应 变 ， 并采用收缩预测模 型对混凝土板 的平 均收缩应变进行理论计算 ， 同时结合有限元 仿真手段 ， 研究 混凝土面 板不 同成 型阶段 产生 的收缩应 变对拉应力 影 响 。结果表明 ： 混凝 土板 各 断 面处 的测 点 应 变 随着 荷 载 增 加呈 非 线 性 增长 ， 混凝 土 试 件 临界 荷 载 宜 为 1 2 0 1 4 0 k N， 施加的荷载大于临界荷载时 ， 各测 点应 变迅 速增大 ， 截 面 3和截 面 5的应 变值和 应变增 长率最大 ， 在混 凝 土板的裂缝控制 中应予 以考虑 。试件存放 的时 间越久 ， 平均 收缩 应变越 大 。受未 收缩 层约束 和 变形不 协调 的影 响 ， 混凝 土板由收缩 应变引起的最 大拉应力 不同 ， 成型 8 、 3 3 ， 1 3 6 d后 ， 混凝 土板外层 向最 大拉应力 分别为 2 、 3 ， 2 M Pa。 关键 词道路工程 ； 应变分析 ； 有 限元 ； 室 内试验 ；钢混组合梁 中图分类 号】U 4 4 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 2 2 9 0 4 An a l y s i s o n S t r a i n Co n t r a c t i o n o f Co n c r e t e S l a b Ne g a t i v e M o me n t Re g i o n o n S t e e l - Co n c r e t e Co mp o s i t e Be a m W ANG Yi ng ho ng ( G u i z h o u C o mm u n i c a t i o n s V o c a t i o n a l a n d T e h n i c a l C o l l e g e ， G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 8 ， C h i n a ) A b s t r a c t L a b o r a t o r y m o d e l e x p e r i me n t s i s d e s i g n e d f o r t e s t i n g t h e s t r a i n o f c o n c r e t e s l a b u n d e r d i f - f e r e n t l o a d s ，t h e a v e r a g e s h r i n k a g e s t r a i n o f c o n c r e t e s l a b i s c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e s h r i n k a g e p r e d i c t i o n mo d e l ，a n d s t u d y t h e i n f l u e n c e o f s h r i n k a g e s t r a i n o n t e n s i l e s t r e s s o n d i f f e r e n t mo l d i n g s t a g e s o f c o n c r e t e p a n e l c o mb i n e d wi t h t h e f i n i t e e l e me n t me t h o dRe s ul t s s h o w t h a t me a s u r i n g p o i n t s t r a i n o f c o n c r e t e s l a b s e c - t i o n s i nc r e a s e n o n l i n e a r a l o ng wi t h t h e g r o wt h o f l o a d，c r i t i c a l l o a d o f c o n c r e t e s p e c i me n i s 1 2 0 1 4 0 k N ， t h e me a s ur i n g p o i n t s t r a i n i n c r e a s e s r a p i d l y wh e n t h e l o a d i s g r e a t e r t h a n t h e c r i t i c a l l o a d， s t r a i n a nd s t r a i n r a t e o f s e c t i o n 3 a n d s e c t i o n 5 i s t h e l a r g e s t w h i c h s h o u l d b e C o n s i d e r e d i n c r a c k c o n t r o l o f c o n c r e t e s l a b As t h e s p e c i me n s t o r a g e t i me l o n g e r ，t h e a v e r a g e s h r i n k a g e s t r a i n g r o w g r e a t e r Th e ma x i mu m t e n s i l e s t r e s s o f c o n e r e t e s l a bs c a u s e d b y t he s h r i n k a g e s t r a i n i s di f f e r e nt s wh i c h i s i n fl ue nc e d b y t h e c o ns t r a i n t o f n o s h r i n k l a y e r a n d d e f o r ma t i o n i nc o mp a t i bi l i t y，t h e ma x i mu m t e n s i l e s t r e s s o f c o n c r e t e pl a t e o u t e r i n X i s 2、 3，2 MPa a f t e r mo l d i n g 8，33 d a n d 1 3 6 d Ke y w o r d s r o a d e n g i n e e r i n g ； s t r a i n a n a l y s i s ； f i n i t e e l e me n t ； i n d o o r t e s t ；s t e e l c o mp o s i t e b e a m 0 引言 钢一 混凝土组合梁充分发挥了混凝土抗压强度 和钢材抗 拉 强度 高 的力学 特性 ， 同时具 有 塑性好 、 刚 度大及经济适用等特点。但是 ， 因混凝 土板的收缩 变形而导致负弯矩区开裂是 目前钢一 混组合梁普遍 存 在 的问题 ， 混 凝 土桥 面 板 开 裂不 仅 会 使 负 弯矩 区 的钢筋锈蚀 ， 而且会降低支座截面的强度和刚度， 严 重影 响钢一 混组 合梁 的安 全性 和耐久 性 。本文 依托 某钢混组合梁桥的建设 ， 对钢 一混组合梁负弯矩 区 混 凝 土面板 的收 缩 变形 进 行 了研 究 ， 为 裂 缝 的控 制 提供 数据支 持 。 1工 程 概 况 某钢混组合 梁桥为双箱单室等截面桥 ， 箱梁高 为 1 9 5 m， 混凝土顶板宽 1 2 m( 包括栏杆等附属设 施 ) ， 混凝 土顶 板厚度 约 为 2 2 c m。桥梁 钢 结构 部 分 横截 面 分 为 内 外 两 幅 ， 内 幅 钢 箱 梁 的 跨 径 布 置 为 收稿 日期 】2 0 1 3 1 2 1 8 作者简介 】汪迎红 ( 1 9 6 8 一) ， 女 ， 贵州金沙人， 副教授 ， 专业方 向为 公路 与桥梁 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 3 0 公路工程 4 0卷 4 4 8 4 3 m +3 4 1 3 7 m。外 幅 钢 箱 梁 的跨 径 布 置 为 3 7 8 1 3 m + 4 1 1 6 7 m， 每 幅 的底 板 宽 度 为 3 m。 钢 箱梁上翼缘板和混凝土顶板之间采用焊钉连接件的 方式结合。跨 中标准截面如图 1 所示。 l - ! 业 一 图 1 跨 中标准横截面( 单位： m m) F i g u r e 1 Mi d s p a n s t a n d a r d c r o s s s e c t i o n( u n i t ：m m) 2混凝土板的应变测试 2 1模 型 试 件 设 计 基于钢 一 混凝土连续组合梁桥实桥设 计， 截取 中支点附近负弯矩区 l 8 m长的梁段作为研究对象， 按 1 2缩尺比模拟简支组合梁模型试件 ， 进行静力 加载承载性能试验 ， 模型试件 的总体布置及尺寸如 图 2所示 。 临时 支座 ( a )立面 ( b )横截面 临时支座 图 2模型试件总体布 置( 单位： a m ) F i g u r e 2 Ge n e r a l a r r a n g e me n t o f mo d e l s p e c i me n( u n i t ：n l m) 现浇 桥面板 混 凝 土采 用 C 4 0钢纤 维 混 凝土 ， 中 墩墩顶箱室内、 边墩箱室底板 以上 5 0 c n l 内填充混 凝土采用 C 4 0微膨胀混凝土。钢板均采用 Q 3 4 5 D 低合金高强度结构钢 ， 钢 钢筋 型号为 H R B 3 3 5 。其 材料特性 如 表 1 所 示 。 表 1 材料特性 Ta b l e l Ma t e r i a l e h a r a c t e r i s t i e s 在负弯矩 区组合梁模型试件 中设置焊钉连接 件 ， 连接件按照刚度等效原则布置 ， 焊钉连接件间距 和杆径分别按 1： 2和 1- 4 Y比例模拟 ， 采用 p 1 6 X 1 2 0 m i l l 圆柱头焊钉 。连接件 的参数见表 2和图 3 所 示 。 表 2连接件 的基本参数 Ta bl e 2 Co n n e c t o r p a r a me t e r L J _ _ 一 I 6 2】 r T一 图 3连 接 件 尺 寸 ( 单位 ： mm) F i gur e 3 C o n n e c t o r s i z e( u n i t ：ra m) 2 2应 变测点 的布置 图 4所示 为组合 梁模 型试 件梁体 上应变 测点 的 布置 ， 在 混凝 土顶底 面及 板 中的 7个断 面 、 布 置单 向 应变 片 ， 测 试不 同位 置弯 曲作用 下的应 变分布 。 A B C E G H I 1 9 6 8 5 一7 6 9 ， 60 0 6 0 0 6 0 0 6 0 0 1 3 3 l ： 2 5 3 I 5 2 5 图 4混凝土板应变测点( 单位： m m) F i gur e 4 Co n c r e t e s l a b s t r a i n me a s u r e p o i n t ( u n i t ： ram) 2 3模 型加 载 方案 组合梁模型试件的加载布置需要模拟原结构的 边 界条 件及 内力状 态 ， 在 模 型 两端 设 置 竖 向支 座 及 门型 自平衡反力架 ， 用于模拟反弯点截面接近简支 的边界条件， 并提供支撑反力。模型 中支点位置设 置 一个 1 5 0 t 千 斤 顶 ， 通过 千斤 顶 顶 升模 型 试 件 施 加负弯矩作用。构件模型试验采用分级加载： 预加 载施加 0 4倍 的换 算 设计 荷载 值 6 0 k N， 步长 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 汪迎红： 钢混组合 梁负弯矩 区混凝 土面板 的应变 收缩分析 2 3 1 2 0 k N， 通过记录数据 ， 判断加载点是否对中， 从而调 整加载装置、 加载点位置 以及试件位置。正式加载 分四阶段进行 ， 第一阶段每级 2 0 k N， 加载到焊钉试 件开裂时的荷载约为 1 4 0 k N， 第二阶段每 2 0 k N一 级 ， 继续加载至设计荷载的 1 7倍 ， 约为 2 4 0 k N， 第 三 阶段 每 1 0 0 k N一级 ， 继 续 加 载 至 8 0 0 k N， 最 后 每 5 0 k N一级 加 载直至 试件 破坏 。 2 4应 变测试 结果 混 凝 土板应 变随 荷载 的 变化 曲线 如 图 5和 图 6 所示 。 i 恻 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 荷载 k N 图 5混凝土板荷载一 应变 曲线 Fi g ur e 5 Lo a d s t r a i n c u r v e s o f c o n c r e t e p l a t e 4 0 0 6 4 k N_ 。 8 O k N 3 O 0 - * - 10 0 k N -* - 12 0 k N 2 1 - - 1 3 7 k N - - l 5 7 k N 2 6 o i 目 一 3 -2 1 0 l 2 3 纵 向位置 m 图 6 混凝土上缘 正应变沿纵 向分布 F i g ur e 6 S t r a i n d i s t r i b u t i o n a l o n g t h e l o n gi t ud i na l 随着千斤顶荷载逐渐增大 ， 混凝土板各断面 处 的测 点应 变呈 非线 性增长 。在荷载 施加 的初 始 阶 段 ， 混凝土板各测点应变曲线线性较好 ， 当荷载达到 1 2 01 4 0 k N左右时， 荷载 一应变曲线出现反弯点 ， 此时中央应变为 1 6 6 IX e ， 超过该荷载后各测点应变 迅速增大 ， 因此将 1 2 01 4 0 k N定义为混凝 土试件 的临界荷载。试验梁应变值和应变增长率最大 的部 位分 别 为截 面 3和 截 面 5 ， 在 混 凝 土 板 的裂 缝 控 制 中应 予 以考虑 。 混凝土应变纵 向分布的总趋势是加载点处 呈 波浪状 突起 ， 而 两 侧应 变分 布 较 为 平缓 。 在 荷载 从 1 3 7 k N增加 到 1 5 7 k N时 ， 试 验梁 应 变 从 1 7 5 I x e 增 加到 3 3 5 8 ， 说 明施 加荷 载 超过 混 凝 土开 裂 荷 载 后， 由于有些测点下方有裂缝通过 ， 加载点附近区域 的混凝 土应 变急 剧增 大 。 3 混凝土面板的收缩量计算 由于表层的混凝土比内部混凝土较早地发生干 缩变形 ， 因此， 在混凝 土收缩应变的计算 中， 应考虑 收缩应变沿截面厚度方向分布 的不均匀性 。假设 ： 截面内相对湿度小于初始相对湿度的区域将发生 收缩应 变 ， 而截面 内相对 湿 度 等 于 初 始相 对 湿 度 的 区域将不发生 收缩应变 ；收缩量等效假定 ， 即对 于收缩终极值为 。 的混凝土板 ， 收缩应变发展到 。 时有效板厚从 D 。 变为 D ， 则 改变后板的收缩发展 曲线同有效板厚始终为 D 的板发展到收缩应变 8 ， 后的收缩发展曲线相同。收缩半衰期前混凝土板 收缩应 变沿 截面 的简化 分 布如 图 7所示 。 图 7 收缩应变沿截面的简化 分布 F i g u r e 7 S i mp l if y d i s t r i b u t i o n o f c o n t r a c t i o n s t r a i n i n t h e c r o s s s e c t i o n 收缩应 变沿截面的分布简化为一斜 直线形 分 布， 简化分布图中收缩区域 ( 阴影部分) 面积等于平 均收缩应 ( t ) 变乘以截面厚度 D， 则 ： = 8 ( 0 = n ( 2 ) 式 中 ： 占 ( ) 为 t 时刻 截 面收 缩应 变 ； ( f ) 为平 均 收缩应 变 ； D为截 面有效 厚度 ， 取 3或 4 。 采用公式( 1 ) 和( 2 ) 计算预制混凝土板分别存 放 8 、 3 3 、 1 3 6 d时截面平 均收缩应变 值， 如表 3所 示 。结 果 表 明 ： 在 板 的 有 效 厚 度 为 2 2 0 mm 的 情 况 下 ， 试 验试 件存 放 8 、 3 3 、 1 3 6 d时 ， 截 面 的 平 均 收 缩 应变分别为 1 9 9 、 4 0 2 、 7 9 8 ， 存放的时间越久 ， 表 3 截面平均收缩应变值 Ta b l e 3 Cr os s s e e t i o na v e r a g e s h r i n ka g e s t r a i n v a l ue s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m