單因素耐久性退化后預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋的承載力分析1)

任重昕 于曉坤 蘇義坤

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

白 浪

(哈爾濱工業(yè)大學(xué))

單因素耐久性退化后預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋的承載力分析1)

任重昕 于曉坤 蘇義坤

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

白 浪

(哈爾濱工業(yè)大學(xué))

從影響預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋耐久性能的因素中，選取3個(gè)因素(初始預(yù)應(yīng)力、室溫循環(huán)下混凝土強(qiáng)度、凍融循環(huán)下混凝土強(qiáng)度)，運(yùn)用有限元單元法對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋的承載力進(jìn)行分析。結(jié)果表明：初始預(yù)應(yīng)力越大，簡(jiǎn)支梁的撓度也就越大；鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力越大，撓度的變化最大值越小。在室溫環(huán)境下，隨著使用時(shí)間的遞增，簡(jiǎn)支梁梁底跨中混凝土應(yīng)變呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在凍融循環(huán)下，隨著荷載的增大，同一凍融循環(huán)作用下的跨中梁底混凝土的應(yīng)變逐漸減小，混凝土的應(yīng)變值隨著凍融次數(shù)的增加而變大。

預(yù)應(yīng)力混凝土；簡(jiǎn)支梁橋；結(jié)構(gòu)承載力；單因素分析

長(zhǎng)期以來，混凝土強(qiáng)度的研究一直受工程界的關(guān)注，但其結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究卻略顯不足。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性病害，會(huì)在一定程度上減少結(jié)構(gòu)的使用壽命，并對(duì)結(jié)構(gòu)的安全服役產(chǎn)生隱患[1-3]?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性能，是指結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，既能抵抗外部環(huán)境的侵蝕，又能阻止內(nèi)部破壞的能力。許多正在服役的公路橋梁，逐漸出現(xiàn)了混凝土老化、結(jié)構(gòu)開裂、鋼筋銹蝕等病害和問題，導(dǎo)致鋼筋混凝土橋梁未達(dá)設(shè)計(jì)使用年限，因出現(xiàn)一系列病害而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能正常使用[4-5]。造成這些病害的原因很多，有來自外部機(jī)動(dòng)車超載，也有結(jié)構(gòu)自身設(shè)計(jì)缺陷等。這些內(nèi)部的病害和缺陷，都和橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性能不足有直接的關(guān)系；如何提高結(jié)構(gòu)的耐久性能，已成為相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[6-8]。本文從影響預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋的耐久性能因素中，選取3個(gè)因素(初始預(yù)應(yīng)力、室溫循環(huán)下混凝土強(qiáng)度、凍融循環(huán)下混凝土強(qiáng)度)，運(yùn)用有限元單元法對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋的承載力進(jìn)行分析，旨在為多因素耦合研究預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋的耐久性能提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，主要有混凝土、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、錨具等[5]，本文主要考查3個(gè)因素(初始預(yù)應(yīng)力、室溫循環(huán)下混凝土強(qiáng)度、凍融循環(huán)下混凝土強(qiáng)度)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

試驗(yàn)共制作11片試驗(yàn)梁，尺寸為200 mm×250 mm×3 000 mm，混凝土為C40，鋼絞線采用7根(直徑15.24 mm)的低松弛1860級(jí)鋼絞線，普通鋼筋采用直徑為12 mm的主筋和直徑為8 mm的箍筋，具體尺寸和布筋位置如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)支梁尺寸和布筋位置示意圖

本文同時(shí)制備了C30、C40、C50三種等級(jí)的混凝土試塊，為標(biāo)準(zhǔn)正方體和非標(biāo)準(zhǔn)棱柱體的混凝土試塊(見表1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同初始預(yù)應(yīng)力對(duì)簡(jiǎn)支梁跨中撓度的影響

在試驗(yàn)前對(duì)6片梁(編號(hào)為L(zhǎng)X1、LX2、LX3、LX4、LX5、LX6)鋼絞線應(yīng)力值進(jìn)行檢測(cè)，通過傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算得到各片梁鋼絞線的有效應(yīng)力分別為1 334、1 267、1 196、1 141、1 056、979 MPa，對(duì)應(yīng)約為0.72fpk、0.68fpk、0.64fpk、0.61fpk、0.57fpk、0.53fpk(fpk=1 860 MPa)，張拉力分別為186.76、177.38、167.44、159.74、147.84、137.06 kN。

通過有限元軟件建立6片預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁的數(shù)值模型，C40混凝土梁尺寸為200 mm×250 mm×3 000 mm，鋼絞線采用直徑為15.24 mm的低松弛1860級(jí)鋼絞線。建立ANSYS模型(見圖2)。

表1 混凝土試塊規(guī)格及數(shù)量

圖2 預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁網(wǎng)格劃分模型

在建立的有限元模型中，在簡(jiǎn)支梁的跨中分別施加10、20 kN的集中荷載，求得簡(jiǎn)支梁的撓度、鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力、跨中處混凝土的應(yīng)力(見表2)。從表2中可以得出，對(duì)于不同初始預(yù)應(yīng)力的簡(jiǎn)支梁，鋼絞線初始應(yīng)力越大，簡(jiǎn)支梁的撓度理論值越大。對(duì)于同一個(gè)簡(jiǎn)支梁，隨著集中荷載的增大，撓度值越來越小。

表2 預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁的跨中撓度理論值

與普通鋼筋混凝土梁相比，預(yù)應(yīng)力混凝土梁對(duì)鋼絞線應(yīng)力的變化更為關(guān)注。由表3可見，鋼絞線的應(yīng)力值隨初始預(yù)應(yīng)力的降低而不斷減小，且呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。

表3 預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁的鋼絞線應(yīng)力值

2.2 室溫環(huán)境對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

到目前為止，有關(guān)混凝土強(qiáng)度的研究已經(jīng)有很多數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型中的混凝土強(qiáng)度函數(shù)公式，本文在室溫環(huán)境下，選取0、5、10、20、50、100 a，分別求得混凝土的強(qiáng)度時(shí)間系數(shù)，計(jì)算出各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的混凝土抗壓強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的彈性模量(見表4)。按照表4參數(shù)進(jìn)行建模，在無外荷載作用時(shí)預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁變形如圖3所示。

表4 預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 自然狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁LZ6變形圖

在建立的有限元模型中，分別在跨中施加10、20kN的集中荷載，求得跨中處混凝土應(yīng)力(見表5)。

表5 不同荷載作用下簡(jiǎn)支梁的跨中梁底混凝土應(yīng)力值

通過表5的試驗(yàn)結(jié)果和每片梁混凝土彈性模量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，可得簡(jiǎn)支梁的跨中梁底混凝土應(yīng)變理論值(見表6)。從表6可看出，只考慮混凝土?xí)r變強(qiáng)度時(shí)，隨著使用時(shí)間的遞增，簡(jiǎn)支梁梁底跨中混凝土應(yīng)變呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。

表6 不同荷載作用下簡(jiǎn)支梁的跨中梁底混凝土應(yīng)變值

2.3 凍融循環(huán)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

本文制備C40混凝土，測(cè)定不同次數(shù)凍融循環(huán)下混凝土抗壓強(qiáng)度的變化(見表7)。采用有限元程序建立4片預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，鋼絞線采用直徑為15.24 mm的低松弛1860級(jí)鋼絞線，其初始預(yù)應(yīng)力為1 302 MPa，經(jīng)計(jì)算可得到對(duì)應(yīng)的張拉力為182.28 kN。選取在0、50、100、150次的凍融循環(huán)下的混凝土建立有限元模型，尺寸為200 mm×250 mm×3 000 mm。簡(jiǎn)支梁的建模參數(shù)見表8。

表7 凍融循環(huán)下混凝土的抗壓強(qiáng)度

表8 簡(jiǎn)支梁的建模相關(guān)參數(shù)

在圖3中建立的有限單元模型中，分別在跨中處施加10、20 kN的集中荷載，求得在兩種不同集中荷載作用下簡(jiǎn)支梁的跨中處混凝土應(yīng)力(見表9)。由表9可看出，在不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用下，簡(jiǎn)支梁跨中梁底混凝土應(yīng)力值的變化并不大。但隨著荷載的增大，簡(jiǎn)支梁跨中混凝土應(yīng)力值逐漸增大，說明與凍融循環(huán)相比，預(yù)應(yīng)力混凝土所受的外界荷載值更能夠?qū)缰辛旱椎膽?yīng)力值產(chǎn)生影響。

表9 不同荷載作用下簡(jiǎn)支梁的跨中梁底混凝土應(yīng)力值

由表10可見，在不同荷載作用下簡(jiǎn)支梁的跨中梁底混凝土應(yīng)變變化相對(duì)較大。隨著荷載的增大，同一凍融循環(huán)作用下的跨中梁底混凝土的應(yīng)變逐漸減小。當(dāng)荷載為0時(shí)，LM4跨中梁底混凝土的應(yīng)變是LM1跨中梁底混凝土的應(yīng)變的1.216倍，混凝土的應(yīng)變值隨著凍融次數(shù)的增大而變大。說明由于凍融循環(huán)造成的混凝土等級(jí)降低，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁跨中梁底混凝土的承載力影響顯著。

表10 不同荷載作用下簡(jiǎn)支梁的跨中梁底混凝土應(yīng)變值

3 結(jié)論

當(dāng)考慮鋼絞線不同的初始預(yù)應(yīng)力對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁承載力的影響時(shí)，初始預(yù)應(yīng)力越大，簡(jiǎn)支梁的撓度也越大。每一片梁的撓度變化值都不是相等的，鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力越大，撓度的變化最大值越小。

在室溫環(huán)境下，隨著使用時(shí)間的遞增，簡(jiǎn)支梁梁底跨中混凝土應(yīng)變呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。相比之下，在凍融循環(huán)作用下混凝土強(qiáng)度的變化對(duì)承載力的影響大很多，主要體現(xiàn)在對(duì)跨中撓度的影響和簡(jiǎn)支梁的跨中梁底混凝土應(yīng)力值的影響上。

在凍融循環(huán)下，隨著荷載的增大，同一凍融循環(huán)作用下的跨中梁底混凝土的應(yīng)變逐漸減小，混凝土的應(yīng)變值隨著凍融次數(shù)的增大而變大。說明由于凍融循環(huán)造成的混凝土等級(jí)降低，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁跨中梁底混凝土的承載力影響顯著。

[1] 劉齡嘉，賀拴海，趙小星.在役混凝土簡(jiǎn)支梁有效預(yù)應(yīng)力計(jì)算[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2005，5(3)：47-51.

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Single-factor Analysis on Capacity of PC Simply Supported Beam Bridge after Durability Degradation/

Ren Zhongxin, Yu Xiaokun, Su Yikun

(Northeast Forestry of University, Harbin 150040, P. R. China);

Bai Lang

(Harbin Institute of Technology)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-109～111

We chose three key factors (initial pre-stress, strength of concrete at the room temperature and freeze-thaw cycles) affecting the durability of concrete to analyze the capacity of prestressed concrete simply supported beam bridge by the finite element methods. The deflection of simply supported beam has the same variation with the initial pre-stress, and the effective prestress of strand has the opposite change with the max value of deflection. At the room temperature, the strain of concrete at the mid-span of the bridge decreases first, and then increases. In the freeze-thaw cycles, with increasing of the load, the strain decreases gradually. The strain increases with number increase of freeze-thaw cycles.

Prestressed concrete; Simply supported beam bridge; Capacity structure; Single-factor analysis

1) “十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2012BAJ19B00)。

任重昕，女，1977年9月生，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，工程師。E-mail:renfish2002@ yeah.net。

U446； U441

收到日期：2013年12月31日。

責(zé)任編輯：張 玉。