銹后預(yù)應(yīng)力混凝土梁整體性能研究①

谷云秋， 葉文亞， 周雪峰， 彭 衛(wèi)

(1.寧波市公路管理局，淅江 寧波 315040;2.余姚市公路管理段，浙江 余姚 315400;3.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315000)

0 引言

關(guān)于結(jié)構(gòu)性能退化方面的研究，最常用的方法是對(duì)影響截面承載力的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[1]，并依照工程經(jīng)驗(yàn)找到各因素的分布規(guī)律[2]，進(jìn)行截面承載力的敏感性分析，這種分析對(duì)于構(gòu)件來(lái)說(shuō)是合理的[3～4]，但對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于局部退化的速率不同而導(dǎo)致相鄰截面的應(yīng)力重分布是無(wú)法考慮的.由于鋼筋銹蝕膨脹對(duì)周圍混凝土應(yīng)力場(chǎng)的影響，導(dǎo)致混凝土脹裂，截面有效高度改變和鋼筋本身截面的損失是截面承載能力下降的主要因素.從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，考慮結(jié)構(gòu)型式的各異和結(jié)構(gòu)構(gòu)件各截面損傷程度的差別，計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體性能.

1 分析模型及參數(shù)

為了掌握鋼筋截面損失和混凝土剝落對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)整體性能的影響，采用實(shí)體建模，如采用實(shí)橋建模，單元太多，計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，故選擇一3跨試驗(yàn)梁做研究對(duì)象.

本文選用文獻(xiàn)[5]模型梁，具體參數(shù)為:(1)跨徑組合:3.1m+3.6m+3.1m，邊跨/中跨 =0.86;(2)通長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力鋼筋采用6Φ5鋼絲，由Φj15.24鋼絞線(7根Φ5的鋼絲)抽掉中間一根得到，在粘貼應(yīng)變片處仍然填入，以保證測(cè)得的鋼絞線應(yīng)變的準(zhǔn)確性，墩頂短束采用3Φ5鋼絲，由同樣Φj15.24鋼絞線抽掉其中4根得到，試驗(yàn)性能良好;(3)為了對(duì)墩頂短束進(jìn)行錨固，在中支座左右兩側(cè)分別設(shè)置了錨固塊，其內(nèi)配置防崩鋼筋;(4)考慮到墩頂短束張拉不方便，預(yù)應(yīng)力鋼絲均采用單端張拉，張拉控制應(yīng)力均為1395MPa.取半橋有限元網(wǎng)格劃分模型的進(jìn)行分析.

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁計(jì)算模型的尺寸

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)

圖1為荷載作用點(diǎn)位置，P1為作用外載，P0為 荷載補(bǔ)償時(shí)所加力.試驗(yàn)梁參數(shù)如表1.

2 退化方式的選擇

假定(1)認(rèn)為鋼筋沿長(zhǎng)是均勻銹蝕的，鋼筋銹蝕對(duì)應(yīng)鋼筋面積的減少，沒(méi)有考慮因?yàn)殇摻钿P蝕導(dǎo)致鋼筋屈服強(qiáng)度的變化;(2)認(rèn)為鋼筋的銹蝕面積的缺損相應(yīng)得會(huì)導(dǎo)致混凝土表層的剝落.(3)普通鋼筋銹脹導(dǎo)致混凝土剝落，預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕大都是應(yīng)力銹蝕引起的，因此只考慮銹蝕后截面面積的減少，而不考慮銹脹對(duì)周圍混凝土的作用.

鋼筋面積的減少率和混凝土剝落量之間的關(guān)系還有待大量的統(tǒng)計(jì)資料的驗(yàn)證，根據(jù)文獻(xiàn)[6]統(tǒng)計(jì)分析和有限元模擬局部銹脹引起周圍應(yīng)力場(chǎng)分布的研究，擬選擇如表2方式退化.

表2 損傷方式的選擇

為了表達(dá)清晰起見(jiàn)，以下計(jì)算成果圖中將損傷情況1稱為原模型，損傷情況2稱為退化5%，損傷情況3稱為退化10%，損傷情況3稱為退化15%.

3 極限承載力參數(shù)敏感性分析

3.1 混凝土性能分析

分析了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁各跨跨中上下緣混凝土主壓應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁各跨跨中上下緣混凝土主拉應(yīng)力.如圖2～3.

圖2 荷載－混凝土應(yīng)力曲線

分析混凝土上下緣是應(yīng)力曲線可以看出，混凝土主壓應(yīng)力呈現(xiàn)隨外荷載的逐漸增大而增大的規(guī)律，而相同位置處的主拉應(yīng)力隨荷載的時(shí)程曲線呈現(xiàn)復(fù)雜的趨勢(shì)，原模型在左跨跨中有1.25MPa左右的初始主拉應(yīng)力，中跨跨中無(wú)論那種情況，都是初始主拉應(yīng)力為零，在裂縫發(fā)生前，主拉應(yīng)力隨著外荷載的增加而增加，但裂縫一旦發(fā)生，周圍混凝土應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生應(yīng)力重分布，而后，繼續(xù)隨著外荷載的增加，混凝土主拉應(yīng)力呈上升趨勢(shì)，原模型的主拉應(yīng)力在極限承載力下達(dá)到最大，左跨跨中位置處接近3MPa.

圖3 荷載－混凝土應(yīng)力曲線

圖4 荷載－混凝土應(yīng)變曲線

圖5 荷載－混凝土應(yīng)變曲線

分析腹板的荷載－應(yīng)力曲線，得到腹板處裂縫出現(xiàn)時(shí)的外載大于40kN，說(shuō)明腹板處裂縫出現(xiàn)時(shí)間比底板處的混凝土晚.原模型出現(xiàn)主拉應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度的外荷載最大，退化越多，極限荷載越小.腹板處主拉應(yīng)力出現(xiàn)第2個(gè)峰值時(shí)，表明該處普通鋼筋進(jìn)入屈服，混凝土再次應(yīng)力重分布.從荷載－應(yīng)力時(shí)程曲線可是清楚得看出混凝土加載過(guò)程中的性能演變過(guò)程.

圖6 荷載－混凝土主拉應(yīng)力曲線

圖7 荷載－混凝土主壓應(yīng)力曲線

圖8 荷載－預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力值曲線

分析了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁各跨跨中上下緣混凝土主壓應(yīng)變和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁各跨跨中上下緣混凝土主拉應(yīng)變，如圖4～5.

右跨跨中下緣有初始?jí)簯?yīng)變，表明在施工階段結(jié)束后，混凝土梁下緣是受壓的，隨著在左跨和中跨繼續(xù)增加外荷載時(shí)，右跨下緣混凝土主壓應(yīng)力繼續(xù)增加.右跨跨中上緣混凝土主拉應(yīng)力在混凝土開(kāi)裂前是隨外載的增加而增加的，發(fā)生開(kāi)裂后，發(fā)生應(yīng)力重分布，當(dāng)總體趨勢(shì)是增大的.

圖9 荷載－預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力值曲線

圖10 荷載－普通鋼筋應(yīng)力時(shí)程曲線

圖11 荷載－普通鋼筋應(yīng)力時(shí)程曲線

分析了位于支座處的混凝土的應(yīng)力圖，如圖6～7.可以看出支座處上緣混凝土裂縫發(fā)展較早，經(jīng)過(guò)應(yīng)力重分布的調(diào)整，總的趨勢(shì)是隨外荷載的增加主拉應(yīng)力增加，最后達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度.支座處下緣混凝土主壓應(yīng)力在無(wú)退化情況下，相同情況下，達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度時(shí)的外荷載最大，依據(jù)退化程度的增大，達(dá)到抗壓強(qiáng)度極限的外載相應(yīng)降低.表明該連續(xù)梁是從右側(cè)上緣壓潰的.左跨跨中腹板中軸線處的主拉應(yīng)力不大，均在正常范圍.腹板處主壓應(yīng)力不算大，時(shí)間歷程中沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)極限抗壓強(qiáng)度.

3.2 預(yù)應(yīng)力性能分析

分析了通長(zhǎng)束位于左跨跨中、左跨1/4、中跨跨中及敦頂束在第一支座處的荷載－預(yù)應(yīng)力應(yīng)力值曲線.預(yù)應(yīng)力筋在不同部位的應(yīng)力分布如圖8～9.通長(zhǎng)束在左跨跨中處達(dá)到極限強(qiáng)度，可以看到當(dāng)混凝土未開(kāi)裂時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力值是相同的，當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，梁體剛度出現(xiàn)變化，當(dāng)外載繼續(xù)增加時(shí)，從圖中可以看出曲線曲率的突變，梁體剛度繼續(xù)減少，最后達(dá)到屈服.

可以看出通長(zhǎng)束只有在左跨跨中達(dá)到屈服，其他位置都沒(méi)有達(dá)到屈服，但在極限外載下，左跨跨中預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力達(dá)到了1600～1700MPa;左跨1/4處預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力達(dá)1400～1500MPa;敦頂處的預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力為1400～1600MPa;沒(méi)有達(dá)到屈服的預(yù)應(yīng)力鋼筋在沒(méi)有退化的情況下，達(dá)到的應(yīng)力最大.從某種意義上來(lái)說(shuō)，材料利用得更合理、更充分.通長(zhǎng)束右跨跨中處(無(wú)太大變化)，右跨1/4處有很大的增長(zhǎng)，但沒(méi)有達(dá)到屈服強(qiáng)度.

3.3 普通鋼筋性能分析

分析了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁左跨跨中下緣、中跨跨中下緣普通鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)間歷程變化.看到左跨跨中和中跨跨中的普通鋼筋在極限承載力作用下均已經(jīng)達(dá)到屈服，只是屈服時(shí)的荷載值不同.退化越多，越早出現(xiàn)屈服.如圖10～11.

歸納荷載－鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線圖、原模型及各種退化模型混凝土裂縫荷載和鋼筋屈服荷載，左跨跨中裂縫開(kāi)始出現(xiàn)的荷載分別為原模型50.12kN、44.75kN、35.8kN、35.8kN.而中跨開(kāi)始出現(xiàn)裂縫的荷載都是35.8kN.在同一荷載作用下，退化越多，普通鋼筋應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱螅詈蠖歼_(dá)到屈服.

4 結(jié)論

耐久性損傷對(duì)壽命期預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的極限承載能力有重要影響，計(jì)算結(jié)果表明，隨著損傷的加大，極限承載力下降，根據(jù)梁中控制截面處混凝土、普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力的荷載－應(yīng)力應(yīng)變曲線可以清楚地看出，相同的外載作用下相應(yīng)位置處的壽命期應(yīng)力應(yīng)變演變過(guò)程.本文考慮縱向均勻損傷的情況下，退化前后，極限承載力破壞位置基本不變.因此為了更好地了解預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的性能退化規(guī)律，有必要在施工初期預(yù)埋耐久性檢測(cè)或監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以獲取即時(shí)或定時(shí)的耐久性損傷數(shù)據(jù)，為確定該橋的整體性能提供定量的數(shù)據(jù).準(zhǔn)確得計(jì)算服役期橋梁的力學(xué)性能.根據(jù)監(jiān)測(cè)到的耐久性數(shù)據(jù)，可以歸納總結(jié)出材料的退化規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)橋梁全壽命設(shè)計(jì).

[1]Aruz Petcherdchoo，Maintaining Condition and Safety of Deteriorating Bridges by Probabilistic Models and Optimization，University of Colorado，Department of Civil，Environmental and Architectural Engineering，2004.3.

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