鋼筋混凝土簡(jiǎn)支橋面梁受彎承載力估算

王志磊

摘要：鋼筋混凝土（RC）簡(jiǎn)支梁橋由于車(chē)輛荷載及各種物理的和化學(xué)的作用，出現(xiàn)了不同程度的損傷，其中相當(dāng)多的一部分己被列入危舊橋梁急待評(píng)定、決策和處理。與橋的安全關(guān)系最密切的是橋面梁的受彎承載力。提出了用鋼筋作用系數(shù)反映粘結(jié)破壞對(duì)在用鋼筋混凝土簡(jiǎn)支橋面梁受彎承載力的影響以及在用鋼筋混凝土簡(jiǎn)支橋面梁受彎承載力的估算力法。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土簡(jiǎn)支橋面梁;耐久性損傷

一、受彎承載力估算

1.影響因素

耐久性損傷對(duì)RC構(gòu)件受彎承載力的影響主要反映在以下兩個(gè)方面截面變化、材料力學(xué)性能變化以及鋼筋與混凝土共同工作性能變化。截面變化包括構(gòu)件的截面損失和鋼筋的截面損失。橋面梁的截面損失一般為受拉區(qū)混凝土保護(hù)層脫落，這對(duì)其受彎承載力影響不大;而鋼筋截面損失對(duì)梁的受彎承載力的影響不能忽略。材料力學(xué)性能主要指鋼筋和混凝土的強(qiáng)度?；炷恋膹?qiáng)度取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果，鋼筋未銹蝕部分的強(qiáng)度可取原設(shè)計(jì)強(qiáng)度。當(dāng)鋼筋銹蝕到一定程度時(shí)，保護(hù)層沿鋼筋產(chǎn)生裂縫，鋼筋和混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度降低。在荷載作用下，二者相對(duì)滑移增大，鋼筋應(yīng)變分布趨于均勻，最大彎矩截面處鋼筋的應(yīng)變小于其周?chē)炷恋钠骄鶓?yīng)變，使受彎承載力降低。

2.估算方法

由上述影響因素分析可知，在己知鋼筋銹后面積和混凝土實(shí)際強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，影響梁受彎承載力的主要因素是鋼筋與混凝土的共同工作性能，粘結(jié)破壞的鋼筋在屈服之前，梁己經(jīng)達(dá)到受彎承載力，鋼筋不能充分發(fā)揮作用。

3.估算步驟

1.確定危險(xiǎn)截面，即需要估算受彎承載力的截面;

1.1 實(shí)測(cè)截面尺寸、混凝土強(qiáng)度（換算為軸心抗壓強(qiáng)度，取平均值）、鋼筋強(qiáng)度和鋼筋銹后截面面積（鋼筋取樣有困難時(shí)可近似取鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;保護(hù)層完好的鋼筋截面面積可近似取公稱(chēng)直徑計(jì)算）;

1.2 根據(jù)混凝土保護(hù)層的損傷情況，確定各鋼筋的作用系數(shù)aE，計(jì)算各鋼筋的等效面積，求和得到鋼筋的總等效面積;

二、試驗(yàn)

1.試件

采用從某橋拆下的3根簡(jiǎn)支板梁（l1、L2和L3）作為試件。某橋建于1964年經(jīng)過(guò)50多年的使用，橋面板梁發(fā)生了不同程度的耐久性損傷。試驗(yàn)用的3根板梁的損傷情況為：L1損傷最輕僅一側(cè)角部混凝土剝落，一根主筋外露，其它僅有一些輕微的銹脹裂縫;L2損傷較重，梁底部?jī)蓚?cè)的混凝土均有剝落，3根主筋外露（局部4根），最外側(cè)的1根主筋在跨中約4m長(zhǎng)的范圍內(nèi)與混凝土基本脫離，L3損傷最重，梁底部?jī)蓚?cè)的混凝土均有剝落4根主筋外露（局部6根），其中最外兩側(cè)的2根主筋在跨中約5～6m長(zhǎng)的范圍內(nèi)與混凝土完全脫離，另外2根主筋與混凝土部分脫離。 3根板梁都是長(zhǎng)680cm，設(shè)計(jì)截面寬99cm，高40cm。梁底縱向受力筋為12 Φ20

試驗(yàn)后，在每根板梁支座附近各選3根基本未銹蝕的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，量測(cè)鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2（表中的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均按鋼筋的實(shí)測(cè)面積求得）。3根板梁鋼筋的面積、強(qiáng)度實(shí)測(cè)值有一定的離散性，分別取各自的平均值作為未銹鋼筋的面積和強(qiáng)度。

受試驗(yàn)條件限制，本文沒(méi)有進(jìn)行銹蝕鋼筋的拉伸試驗(yàn)，認(rèn)為銹蝕后鋼筋強(qiáng)度不變。

明顯銹蝕的鋼筋（長(zhǎng)15cm左右），采用稱(chēng)重法量測(cè)其截面面積;基本未銹蝕鋼筋的截面面積取為相應(yīng)板梁拉伸試驗(yàn)中所用鋼筋截面面積的平均值。量測(cè)結(jié)果為L(zhǎng)1，L2和L3跨中截面鋼筋總面積分別3629、3385和3240mm2，相當(dāng)于幾鋼筋銹蝕前（按公稱(chēng)直徑計(jì)算）的96.3%，89.8%和85.9%。

采用取芯法檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度，L1、L2和L3混凝}_的強(qiáng)度分別為34.9，44.6，40.4MPa。

2.試驗(yàn)裝置及量測(cè)

根板梁均采用兩端簡(jiǎn)支，在三分點(diǎn)處施加對(duì)稱(chēng)集中荷載。采用液壓千斤頂單調(diào)分級(jí)加載，當(dāng)跨中撓度超過(guò)板梁凈跨的1/50時(shí)，停止加載。

量測(cè)不同截面處的鋼筋應(yīng)變和板梁6分點(diǎn)處的位移除L1的部分應(yīng)變片布置在一根保護(hù)層開(kāi)裂但未剝落的主筋上外，其余鋼筋應(yīng)變片均布置在外露的主筋上。

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1破壞特征。加載后，跨中裂縫一般都是在原有裂縫的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展;隨著荷載的增加，陸續(xù)出現(xiàn)一些新的裂縫。當(dāng)梁進(jìn)入塑性階段時(shí)，裂縫基本出齊，僅純彎段的3～ 4條裂縫加寬。在整個(gè)梁長(zhǎng)范圍內(nèi)，L1，L2和L3的裂縫數(shù)分別大致為21根、12根和14根。L2和L3的裂縫間距相差不明顯，但L1的裂縫間距明顯小于L2、L3的裂縫間距，說(shuō)明隨著鋼筋銹蝕程度的增加，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用降低，裂縫平均間距增大。雖然試驗(yàn)板梁外側(cè)的主筋銹蝕嚴(yán)重，但由于內(nèi)側(cè)的主筋并未銹蝕或銹蝕很少與混凝土粘結(jié)完好，所以板梁仍表現(xiàn)出適筋梁的破壞特征。

3.2受彎承載力。在試驗(yàn)的加載方式下板梁的跨中截面為危險(xiǎn)截面;并且由于跨中截面損傷最為嚴(yán)重，所以通過(guò)跨中截面的知來(lái)研究板梁的受彎承載力。

圖1為3根板梁實(shí)測(cè)跨中截面彎矩一撓度曲線(xiàn)（不包括梁自重下的彎矩和撓度）。

L1，L2和L3的跨中最大彎矩分別為317.3，282.8和277.2KN*m。達(dá)到最大彎矩時(shí)，板梁開(kāi)裂己經(jīng)很?chē)?yán)重，梁的跨中撓度或壓區(qū)混凝土的破壞己超過(guò)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB50152一92）的規(guī)定。為安全起見(jiàn)，取板梁跨中彎矩一撓度曲線(xiàn)的“彈性階段”與“塑性階段”之間過(guò)渡段彎矩的平均值作為板梁的受彎承載力。

由此得到的L1，L2和L3的受彎承載力分別為284.1，246.6和233 . 2 KN*m?？梢?jiàn)隨著損傷程度的加重梁的承載力降低。

3.3鋼筋應(yīng)變。因嚴(yán)重銹蝕而失去了保護(hù)層的鋼筋和混凝土的粘結(jié)作用減弱甚至在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)消失，應(yīng)變沿全長(zhǎng)的分布較為均勻。如圖2a，2b的S2和S3，S7和S8分別為板梁L1同一鋼筋不同截面處的鋼筋應(yīng)變，其中S2， S3對(duì)應(yīng)的鋼筋保護(hù)層接近完好，S7 ， S8對(duì)應(yīng)的鋼筋保護(hù)層脫落、鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)作用差，荷載相同時(shí)，S2，S3相差較大，而 S7， S8相差較小。

三、估算方法驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)上述估算方法的可靠性，對(duì)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)梁實(shí)際受彎承載力進(jìn)行估算;試驗(yàn)梁共有24根，其中完好梁8根，損傷梁16根。損傷梁的順筋銹蝕裂縫寬度在0.6～2.5mm之間，根據(jù)表1，一致取梁的鋼筋作用系數(shù)ae =0.9。按提供的數(shù)據(jù)（不計(jì)受壓區(qū)鋼筋的影響），分別對(duì)完好梁和損傷梁的實(shí)際受彎承載力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

對(duì)完好梁的n值（n為本文方法的受彎承載力估算值與試驗(yàn)值之比）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到，n=0.94，σ=0.060;對(duì)損傷梁的n，：值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到n=0.93，σ=0.038。損傷梁的估算結(jié)果和完好梁的計(jì)算結(jié)果精確程度接近，當(dāng)保護(hù)層順筋開(kāi)裂較嚴(yán)重但僅局部有剝落時(shí)，取aE=0.9進(jìn)行損傷梁受彎承載力的估算符合精度要求。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文引入鋼筋作用系數(shù)的概念來(lái)反映鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)損傷對(duì)受彎承載力的影響，提出了在用RC簡(jiǎn)支橋面梁受彎承載力的估算方法，為有關(guān)橋梁管理部門(mén)對(duì)簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行安全評(píng)估及加固、維修決策提供了可用的方法。