銹蝕預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎承載力預(yù)測經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?/h1>

2019-09-10 07:22:44李海

西部交通科技訂閱 2019年9期 收藏

李海

摘要：文章收集并總結(jié)了39組銹蝕預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)與我國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的計算值進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：僅考慮銹蝕預(yù)應(yīng)力筋截面面積減小時，我國現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對銹蝕預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗彎承載力的估計是偏于不安全的?；谝?guī)范抗彎承載力計算公式，考慮銹蝕引起的預(yù)應(yīng)力筋截面面積減小、力學(xué)性能退化及混凝土與預(yù)應(yīng)力筋變形協(xié)調(diào)關(guān)系變化，提出了銹蝕預(yù)應(yīng)力混凝土梁剩余抗彎承載力計算經(jīng)驗(yàn)公式。對比研究表明本文所提出的經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測值與數(shù)據(jù)庫試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：銹蝕預(yù)應(yīng)力混凝土梁;抗彎承載力;試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫;經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

中圖分類號：U448.35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.025

文章編號：1673-4874（2019）09-0086-02

0引言

預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）結(jié)構(gòu)具有抗裂能力強(qiáng)、抗?jié)B性能好、剛度大、強(qiáng)度高、抗剪能力和抗疲勞性能好等特點(diǎn)，在各類工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。相比普通混凝土（RC）結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代PC結(jié)構(gòu)通常情況下發(fā)生耐久性問題的可能性要小得多。但是，PC結(jié)構(gòu)在建造與服役的過程中因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力筋的運(yùn)輸與存儲、設(shè)計、施工及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)和外部侵蝕環(huán)境等原因都會導(dǎo)致力筋的腐蝕。預(yù)應(yīng)力筋截面面積小且處于高應(yīng)力工作狀態(tài)，對腐蝕尤為敏感，一旦腐蝕，就可能發(fā)生突然斷裂，使結(jié)構(gòu)發(fā)生無征兆的脆性破壞，危害極大。1985年，英國希格拉摩根郡的Ynys-y-Gwas節(jié)段式拼裝的后張PC橋梁由于預(yù)應(yīng)力筋腐蝕而發(fā)生突然倒塌;在國內(nèi)，由于PC結(jié)構(gòu)大規(guī)模應(yīng)用較晚，暫未發(fā)現(xiàn)由于預(yù)應(yīng)力筋腐蝕引起橋梁結(jié)構(gòu)坍塌事故，而預(yù)應(yīng)力筋引起的耐久性失效事件時有發(fā)生，1976年建成的京廣線石家莊百孔大橋?qū)貾C簡支梁橋，服役24年后發(fā)現(xiàn)第52孔曲線內(nèi)梁的腹板箍筋與一束預(yù)應(yīng)力筋銹斷，這在我國鐵路橋梁系統(tǒng)中尚屬首次。

已有試驗(yàn)研究表明預(yù)應(yīng)力筋銹蝕會明顯引起PC梁抗彎性能劣化。為準(zhǔn)確評估銹蝕PC梁的可靠性，有必要準(zhǔn)確預(yù)測銹蝕PC梁的抗彎承載力.而目前針對銹蝕PC梁的抗彎承載力的預(yù)測方面研究還很少，Cvall and Waldron考慮斷裂預(yù)應(yīng)力絲重新錨固和灌漿空隙，建立銹蝕后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的非線性分析模型;王磊等推導(dǎo)了銹蝕預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形協(xié)調(diào)系數(shù)與抗彎承載力的表達(dá)式。上述計算模型雖然都能與原文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好，但模型計算涉及復(fù)雜的分析過程和迭代運(yùn)算，不便于工程技術(shù)人員直接使用。為此，本文以我國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ)，考慮預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕影響，提出銹蝕PC梁的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式，并用已有的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證其有效性，以期為銹蝕預(yù)應(yīng)力PC梁抗彎承載力預(yù)測和評估提供參考。

1試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集整理

本文共收集近年來銹蝕PC梁抗彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)39組，其中矩形梁抗彎試驗(yàn)26組，T型梁抗彎試驗(yàn)13組。主要包括：邱元光8組;李富民等9組;王磊等8組;楊旭東5組;Zeng等9組。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要有以下基本特點(diǎn)：混凝土強(qiáng)度為C30-C55普通受拉縱筋屈服強(qiáng)度為235-370MPa;普通受壓縱筋屈服強(qiáng)度為335-375MPa預(yù)應(yīng)力筋標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1750-1879MPa;預(yù)應(yīng)力筋銹蝕范圍為0-100%（Zeng etal試驗(yàn)中L4梁的預(yù)應(yīng)力筋銹斷）。試驗(yàn)中用的預(yù)應(yīng)力筋全為鋼絞線。

2 銹蝕預(yù)應(yīng)力筋截面減小抗彎承載力計算

我國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范在進(jìn)行正截面承載力計算時作了如下基本假定：滿足平截面應(yīng)變假定;忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度;在受壓混凝土截面應(yīng)變線性分布的假定下，極限狀態(tài)時混凝土的壓應(yīng)變分布呈曲線;鋼筋的應(yīng)力根據(jù)混凝土截面應(yīng)變的線性分布假定計算。

數(shù)據(jù)庫39組試驗(yàn)實(shí)測值與規(guī)范公式僅考慮銹蝕預(yù)應(yīng)力筋截面面積減小時的計算值的對比結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，僅考慮銹蝕預(yù)應(yīng)力筋截面面積減小，規(guī)范公式計算的抗彎承載力比實(shí)測值平均高了5.0%，偏于不安全。由此可知，用我國現(xiàn)行規(guī)范計算銹蝕預(yù)應(yīng)力混凝土抗彎承載力時，僅考慮預(yù)應(yīng)力筋的截面積減小的銹蝕影響是不夠的，還需考慮預(yù)應(yīng)力筋銹蝕對預(yù)應(yīng)力混凝土梁其它方面的劣化作用.預(yù)應(yīng)力筋銹蝕后的剩余截面面積Aηp可由下式計算得到：

AηP=（1-η）A=（1-η）πD/4（1）

式中：A為未銹蝕預(yù)應(yīng)力筋截面面積;D為未銹蝕預(yù)應(yīng)力筋直徑，對于鋼絞線類型的預(yù)應(yīng)力筋取等效截面直徑。

3多種銹蝕影響因素下抗彎承載力計算

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的試驗(yàn)結(jié)果表明：與普通混凝工結(jié)構(gòu)類似，預(yù)應(yīng)力筋銹蝕不僅會引起力筋截面面積減小，而且會引起預(yù)應(yīng)力筋的屈服強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變等力學(xué)性能退化，此外還會引起梁的變形協(xié)調(diào)條件改變。下面將這些銹蝕影響都考慮到規(guī)范公式中。

3.1銹蝕力筋力學(xué)性能退化

相關(guān)學(xué)者試驗(yàn)研究了腐蝕后預(yù)應(yīng)力鋼絞線力學(xué)性能退化的情況，并分析了力學(xué)性能參數(shù)的退化。根據(jù)文獻(xiàn)的力學(xué)性能退化研究成果，本文建議采用的銹蝕后預(yù)應(yīng)力筋的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度、名義彈性模量、屈服應(yīng)變及極限應(yīng)變退化關(guān)系如下：

式中：f、E和ε分別為未腐蝕鋼絞線的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、名義彈性模量與極限應(yīng)變;f、E、ε和ε為鋼絞線腐蝕后的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、名義彈性模量、屈服應(yīng)變與極限應(yīng)變.

3.2 基于規(guī)范公式抗彎承載力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為便于計算銹蝕預(yù)應(yīng)力梁抗彎承載力，作以下假定：預(yù)應(yīng)力筋腐蝕后仍滿足平截面假定;梁端錨固良好，未受銹蝕影響，忽略鋼絞線和混凝土之間的粘結(jié)滑移。現(xiàn)根據(jù)規(guī)范中矩形和丁型梁彎矩計算方法，引入預(yù)應(yīng)力筋銹蝕影響，提出銹蝕預(yù)應(yīng)力矩形和丁性梁抗彎承載力計算公式為：

3.2.1矩形截面

式（5）和式（6）即矩形型截面的抗彎承載力M的評估計算式。式中：h為受拉區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力筋與受拉普通鋼筋合力點(diǎn)至截面受壓邊緣的距離;f為混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度;b為梁的寬度;f和f為受拉與受壓普通鋼筋標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度;α為等效矩形應(yīng)力圖參數(shù)，參照規(guī)范取值;A和A為普通受拉與受壓鋼筋的截面面積。

為考慮銹蝕對預(yù)應(yīng)力筋和梁的延性影響，還需對平截面假定作幾何條件驗(yàn)算.圖2是銹蝕PC梁極限狀態(tài)應(yīng)變幾何關(guān)系示意圖，由圖2可得到：

式中ε為混凝土的極限壓應(yīng)變，取0.0033;ε為銹蝕PC梁受壓高度為x時的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變;h為中和軸高度;β為等效矩形應(yīng)力圖的參數(shù)，在C50以下取0.8，C80取0.74，中間線性內(nèi)插。

預(yù)應(yīng)力筋銹蝕時，對預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變作如下限制：

如不滿足式（8），一般只會出現(xiàn)ε_p，η≥ε的情況。此時，需按變形協(xié)調(diào)的幾何條件對混凝土的受壓高度進(jìn)行修正，修正后的混凝土受壓區(qū)高度x如下：

式中：h是縱向受拉力筋到中和軸的距離;其他符號同上所述。將式（9）中的x’代替式（6）中的x，即可得到修正后矩形銹蝕PC梁抗彎承載力評估計算式。

3.2.2第一類T型截面

若滿足：

則屬于第一類T形截面，中和軸在受壓翼緣內(nèi).式中b和h為翼緣寬度和高度.在計算正截面抗彎承載力時，忽略受拉區(qū)混凝土抗拉強(qiáng)度，其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于寬度為b=b的矩形截面。

式（11）和式（12）即為第一類T型截面的抗彎承載力M的評估計算式。

3.2.3第二類T型截面

若不滿足式（12），則屬于第二類T型截面，中和軸位于梁肋內(nèi)。

式（13）和式（14）即為第二類丁型截面的抗彎承載力M的評估計算式。對于兩類銹蝕預(yù)應(yīng)力T型梁抗彎承載力評估計算式，同理需按式（8）和式（9）來驗(yàn)證變形協(xié)調(diào)條件。

3.3新模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)實(shí)測值與所提出模型預(yù)測值的對比關(guān)系如圖3所示。圖3（a）為數(shù)據(jù)庫中彎矩實(shí)測值與計算值之間的對比，由圖可知，相比僅考慮預(yù)應(yīng)力筋銹蝕面積減少的圖1（a），試驗(yàn)值與計算值的比值更貼合理論對比線。圖3（b）是彎矩試驗(yàn)值與計算值之比M/M隨預(yù)應(yīng)力筋銹蝕率變化的關(guān)系圖。圖中M/M的平均值為1.048，變異系數(shù)為0.135，試驗(yàn)實(shí)測值略大干所提模型的預(yù)測值，計算值與試驗(yàn)值實(shí)測值吻合較好。

4 結(jié)語

（1）僅考慮銹蝕預(yù)應(yīng)力筋截面面積的減小，利用我國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式計算數(shù)據(jù)庫銹蝕預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎承載力時，得到的39組試驗(yàn)梁計算彎矩值比試試驗(yàn)值平均高了5.0%，偏于不安全.

（2）考慮預(yù)應(yīng)力筋銹蝕引起的截面面積減小及預(yù)應(yīng)力筋的屈服強(qiáng)度、彈性模量、屈服應(yīng)變等力學(xué)性能劣化以及預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的變形協(xié)調(diào)性變化，建立了預(yù)應(yīng)力筋銹蝕后的預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎承載力計算公式。該公式與收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，且形式與現(xiàn)行規(guī)范一致，便于工程技術(shù)人員使用。

西部交通科技2019年9期

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