面向雙層交通的混凝土箱梁抗彎性能試驗(yàn)分析

韓麗瓊

(長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 混凝土箱梁抗彎性能試驗(yàn)概況

1.1 混凝土性能

選擇的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50標(biāo)準(zhǔn)，其箱型截面梁具有抗彎曲、強(qiáng)度和剛度大的性能，混凝土模型與建筑實(shí)際比為1∶8。針對(duì)混凝土應(yīng)用而言，由于采取的施工工藝標(biāo)準(zhǔn)較高，其表面結(jié)構(gòu)平穩(wěn)工整、外觀形態(tài)統(tǒng)一，并且后期養(yǎng)護(hù)便利，具有良好的抗震和抗擠壓性能.試驗(yàn)中，通過(guò)取消橫隔板，促使底部與頂板形成平行結(jié)構(gòu)的橋面系統(tǒng)，并且將各試驗(yàn)部分的混凝土箱梁聯(lián)成統(tǒng)一整體，在相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)孔，以此實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的預(yù)期效果。同時(shí)，針對(duì)混凝土箱梁的通風(fēng)、采光和消防等要求，有針對(duì)性的提升混凝土的應(yīng)用性能。交通運(yùn)輸中，混凝土結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定性，對(duì)箱梁的抗彎折性能產(chǎn)生積極影響，相關(guān)人員應(yīng)充分利用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，完善并提升交通混凝土的抗彎曲性能，為混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的安全性與穩(wěn)定性奠定良好基礎(chǔ)。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段

雙層交通混凝土箱梁抗彎性能試驗(yàn)，其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，鋼筋的選擇為HPB235級(jí)別和HRB335級(jí)兩種類型，為保證模型結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)階段的穩(wěn)定性，保證試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，對(duì)箱梁兩端400 mm的位置設(shè)計(jì)了4個(gè)橡膠底座，其中2個(gè)用來(lái)固定鉸鏈。另外2個(gè)用來(lái)固定滑動(dòng)鉸支座。

對(duì)抗彎性進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，利用沙袋砝碼的方式對(duì)其進(jìn)行荷載添加，其中檢測(cè)方式大致分為以下3種工況，工況一，將沙袋砝碼全部置于頂板處；工況二，將荷載沙袋砝碼分別放置在頂部和底部；工況三，沙袋砝碼全部放置在箱梁結(jié)構(gòu)的底部。雙層交通混凝土箱梁荷載試驗(yàn)中，在工況二同時(shí)加載頂板和底板時(shí)，頂板部分需要通過(guò)反力架和260 t型號(hào)的油壓千斤頂對(duì)中間腹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行集中力加載；而底板部分則需要利用工字鋼梁和螺栓錨桿對(duì)邊腹板梁進(jìn)行集中力加載檢測(cè)。

1.3 試驗(yàn)測(cè)試方案

雙層均布荷載作用下，為有效測(cè)試模型箱梁截面頂板的變化情況，對(duì)其中的4個(gè)截面進(jìn)行了混凝土應(yīng)變片的布置，并且在箱梁兩端的支座布置雙向?qū)ΨQ的百分表。受彎試驗(yàn)的測(cè)試方案是將箱梁的開(kāi)孔截面，即3/8跨截面為測(cè)試的基礎(chǔ)面，并分別在兩個(gè)截面上設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)變片，以此為參照對(duì)象，對(duì)鋼筋和混凝土進(jìn)行必要的抗彎曲檢測(cè)，在此過(guò)程中，應(yīng)在箱梁的兩端支座、箱梁1/4跨、1/8跨以及4～4截面的底部雙向?qū)ΨQ布置百分表。此外，還需要在4～4跨中截面頂板架設(shè)百分表，開(kāi)展對(duì)箱梁頂板彎度的測(cè)試工作。

2 抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 均布荷載作用下試驗(yàn)結(jié)果

(1)剪力滯的橫向分布

雙層交通混凝土箱梁各控制處截面的分布規(guī)律明確如下，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)箱梁各截面的在工況一、工況二和工況三的作用下，其下腹板和頂板交接處剪力滯系數(shù)，均大于1，該結(jié)果表明頂板截面在均布荷載的條件下，無(wú)論是荷載作用在任何位置，其表現(xiàn)的規(guī)律均為正向的剪力滯后現(xiàn)象。

(2)剪力滯系數(shù)變化規(guī)律

對(duì)試驗(yàn)階段交通橫梁不同工況條件下的同一截面的剪力滯現(xiàn)象和同一荷載工況下剪力滯沿梁跨方向的變化規(guī)律進(jìn)行分析。其結(jié)果如下，雙層布荷載作用下，沿著簡(jiǎn)支箱梁縱向方向到支座部分的剪力滯系數(shù)由跨中1.128增加到箱梁八分之一跨截面1.233；而在工況二的條件下，剪力滯系數(shù)由原來(lái)的1.108增加至1.185；工況三作用下，剪力滯系數(shù)則增加至1.145，其原來(lái)的系數(shù)為1.086 5，其增加效果更加明顯。結(jié)果表明在工況一，均布荷載的作用下雙層交通箱梁中，剪力滯系數(shù)變化幅度最小，而距離支座部分越近其剪力滯變化幅度越大。

(3)剪力滯數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，跨中截面在均布荷載作用下，其中工況一的剪力滯系數(shù)1.233，其底板部分為1.125；而工況二條件下，相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，其中頂板的剪力滯系數(shù)為1.108.底板系數(shù)為1.106；而工況三的作用下，其頂板的剪力滯系數(shù)的為1.088，底板為1.079。數(shù)據(jù)表明無(wú)論是何種工況條件下，其中底板的剪力滯系數(shù)略小于頂板剪力滯系。結(jié)果表明，荷載作用位置不同，對(duì)箱梁截面的剪力滯效應(yīng)不夠明顯，并且其影響剪力滯的實(shí)際效用。并且經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，將荷載全部用于頂板抗彎曲測(cè)試時(shí)，各截面頂部、底板的剪力滯效應(yīng)比較明顯；而當(dāng)荷載作用在地板時(shí)各控制截面頂和底板的建立滯效應(yīng)較?。欢?dāng)荷載同時(shí)作用于頂板和底板時(shí)，剪力滯效應(yīng)居中。因此，在對(duì)雙層交通混凝土箱梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮剪力滯效應(yīng)，并將其應(yīng)用在頂板設(shè)計(jì)中。

2.2 雙層集中加載試驗(yàn)

(1)撓度曲線

雙層結(jié)構(gòu)交通混凝土箱梁試驗(yàn)中，對(duì)跨中截面頂板進(jìn)行了位移測(cè)試，其中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其頂板的位移情況與荷載-撓度曲線基本吻合，試驗(yàn)箱梁在雙層集中壓力荷載下，其擾度曲線的特征表現(xiàn)如下：第一段，為直線形狀，直到混凝土開(kāi)裂荷載階段為止，該階段是在混凝土開(kāi)始出現(xiàn)裂紋前，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)施加荷載值不超過(guò)1 000 KN標(biāo)準(zhǔn)的力，此時(shí)，荷載值與撓度值呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，并且處于彈性工作階段。第二段，為近似直線段，該階段主要的工況表現(xiàn)為混凝土在荷載的作用下出現(xiàn)開(kāi)裂直到工況條件屈服荷載為止，并且相關(guān)參數(shù)表現(xiàn)為彈性與塑型結(jié)合；第三階段，為近似水平階段，此時(shí)工況條件為屈服荷載到極限荷載，此時(shí)的外部荷載值高達(dá)2 400 KN以上。在此過(guò)程中，普通鋼筋在持續(xù)受力的情況下，達(dá)到屈服狀態(tài)，并且其跨中撓度明顯增加，將載荷力度增加至2 800 KN，跨中撓度達(dá)到最大值為36.55 mm，而裂縫寬度達(dá)到試驗(yàn)破壞的預(yù)期值2.0 mm，此時(shí)需要終止試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)中應(yīng)力變化情況

試驗(yàn)中，對(duì)雙層交通混凝土箱梁模型進(jìn)行了截面頂點(diǎn)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè)，以荷載應(yīng)變曲線對(duì)變化情況進(jìn)行分析。其應(yīng)變曲線特征表現(xiàn)為圖1。

圖1 雙層集中荷載下頂板跨中應(yīng)變曲線

通過(guò)對(duì)圖2分析可知，曲線大致分為三個(gè)階段：第一階段，為試驗(yàn)混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂前，此時(shí)對(duì)其進(jìn)行荷載力的設(shè)計(jì)為0～1 000 KN，此時(shí)試驗(yàn)構(gòu)建處于基本彈性的工作狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)外荷載引起的最大應(yīng)變值為120 με；第二階段為試驗(yàn)中箱梁模型混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂后，其荷載的加載值為1 000 KN以上，2 500 KN以下，此時(shí)應(yīng)力發(fā)生重分布，并且對(duì)頂板壓力承受區(qū)部分應(yīng)力持續(xù)增加；第三階段，受到拉伸的鋼筋屈服后，與之連接部分的混凝土應(yīng)變壓力增加，在極限負(fù)荷狀態(tài)下，其壓力值應(yīng)變值表現(xiàn)在1 200 με附近，該數(shù)值遠(yuǎn)未達(dá)到2 000 με的混凝土極限壓應(yīng)變值，這說(shuō)明混凝土的極限強(qiáng)度未能得到充分發(fā)揮，然而鑒于混凝土箱梁底板的裂縫最大值，已經(jīng)到達(dá)2.0 mm臨界點(diǎn)，則認(rèn)為箱梁頂板抗彎曲性能試驗(yàn)結(jié)束。

針對(duì)雙層交通混凝土箱梁底板的抗彎曲性能試驗(yàn)而言，也需要對(duì)其跨中應(yīng)變曲線的特征進(jìn)行分析，其監(jiān)測(cè)曲線也可分為三個(gè)階段，并且每個(gè)階段的特征差異明顯，需要對(duì)其進(jìn)行具體說(shuō)明。

第一階段，當(dāng)加載值小于等于1 000 KN時(shí)，其荷載與鋼筋的應(yīng)變基本呈現(xiàn)出線形相關(guān)的狀態(tài)，此時(shí)在達(dá)到混凝土開(kāi)裂前，鋼筋結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變值為300με，對(duì)應(yīng)的鋼筋應(yīng)力變化數(shù)值為60 MPa；第二階段，為試驗(yàn)箱梁混凝土開(kāi)裂后，此時(shí)，荷載值大于1 000 KN，底板的應(yīng)力發(fā)生重分布，屬于非線性的關(guān)系，并且鋼筋的應(yīng)變數(shù)值增加速度變快，當(dāng)鋼筋加載值達(dá)到2 500 KN時(shí)，鋼筋的應(yīng)變值達(dá)到2 100 με，其對(duì)應(yīng)的鋼筋應(yīng)力變化值為420 MPa，此時(shí)，趨近于鋼筋屈服點(diǎn)。第三階段的荷載值超過(guò)2 500 KN后，試驗(yàn)混凝土箱梁進(jìn)入極限破壞狀態(tài)，此時(shí)受力鋼筋的應(yīng)變數(shù)值迅速增加，試驗(yàn)構(gòu)件處于破壞的臨界點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)束，完成對(duì)雙層交通混凝土箱梁結(jié)構(gòu)抗彎性能的檢驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：綜上所述，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)混凝土試驗(yàn)箱梁的開(kāi)裂載荷與極限載荷進(jìn)行了分析與研究，并且測(cè)得試驗(yàn)的全過(guò)程撓度曲線，通過(guò)對(duì)曲線特征的分析得到，曲線分為明顯的三段，分別是彈性階段、彈塑性階段和最終破壞階段。

3 結(jié) 論

綜上所述，雙層混凝土箱梁在彈性工作狀態(tài)下，不同工況均存在載荷作用的影響，并且其剪力滯后現(xiàn)象明顯但是彼此不同，其中以頂板結(jié)構(gòu)中的剪力滯后效應(yīng)最為明顯，因此需要在剪力滯效應(yīng)下，考慮不同工況條件下的設(shè)計(jì)方案，并且將荷載值作為頂板設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)。