波纹钢腹板体外预应力组合梁弯曲性能分析及试验研究_宋.pdf

《波纹钢腹板体外预应力组合梁弯曲性能分析及试验研究_宋.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波纹钢腹板体外预应力组合梁弯曲性能分析及试验研究_宋.pdf（6页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/波纹钢腹板体外预应力组合梁弯曲性能分析及试验研究宋建永1,2 张树仁2 王 彤3 吕建鸣1(1交通部公路科学研究所 2哈尔滨工业大学 3辽宁省交通高等专科学校)摘要:波纹钢腹板体外预应力组合梁作为一种新颖高效的桥梁结构正在引起广泛关注。在对波纹钢腹板的抗弯性能进行理论分析与试验验证的基础上,合理简化计算模型,建立了受弯条件下波纹钢腹板体外预应力组合梁全过程非线性分析的计算方法和计算程序。分析中计入了材料非线性的影响,能综

2、合考虑不同加载方式、不同截面形式、不同转向和布索形式多种情况,并能计算从加载到破坏各个阶段下混凝土、钢筋、预应力索的应力和梁的挠度。最后对四片波纹钢腹板体外预应力简支梁进行了弯曲破坏试验,并与全过程非线性分析程序计算结果进行了对比分析,同时结合试验对普通非预应力钢筋对梁极限状态下力学性能的影响进行了探讨和分析。关键词:体外预应力;波纹钢腹板;组合梁;全过程分析;非线性;抗弯中图分类号:TU378 文献标识码:A文章编号:10002131X(2004)1120050206A THEORECTICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL STUDY ON THE FLEXURAL

3、BEHAVIOR OFEXTERNALLY PRESTRESSED COMPOSITE BEAM WITH CORRUGATED STEEL WEBSSong Jianyong1,2Zhang Shuren2Wang Tong3LJianming1(1 Research Institute of Highway of Ministry of Communications2 Harbin Institute of Technology3 Liaoning Provincial College of Communications)Abstract:Prestressed composite bea

4、ms with corrugated steel webs,as novel and effective structures,are arousing wide con2cerns.The mechanical behavior of externally prestressed composite beams with corrugated steel webs is investigated and anal2ysed by using a nonlinear all2stage2analysis program,taking account of the influence of ma

5、terial nonlinearity.Stresses andstrains in concrete and tendon are obtained for all loading stages,from start to failure.Four beams with corrugated webs aretested to bendingfailure.Comparisons between the theoretical and testing results are satisfactory.Parametric study is conduct2ed to examine the

6、effects of reinforcements.Keywords:external prestress;corrugated steel web;composite beam;all stage analysis;nonlineariety;flexural behavior收稿日期:2002-12-201 概 述波纹钢腹板预应力组合梁作为一种新颖高效的桥梁结构正在引起广泛关注1,2。这种结构不但具有传统体外预应力结构的优点,而且用波纹钢腹板代替混凝土腹板,进一步降低了结构自重,加快了施工进度。与传统的纵向加劲平面钢腹板相比,波纹钢腹板不需设置纵向加劲肋来防止其屈曲发生。这种结构在法国和日

7、本得到了较为广泛的应用,国内对这种结构的认识和研究才刚刚开始。本文在对波纹钢腹板抗弯性能进行理论分析和试验验证的基础上,合理简化计算模型,建立了受弯条件下波纹钢腹板体外预应力组合梁全过程非线性分析的计算方法和计算程序。基本分析方法是将梁体的截面变形曲率沿纵向积分来求解梁体的变位,同时建立体外索与梁体变位的变形协调方程,采用反复迭代法求解梁从加载到破坏各个阶段下混凝土、钢筋、预应力索的应力、应变和梁的挠度。本文提出的计算方法中计入了材料非线性的影响,能综合考虑不同加载方式、不同截面形式、不同转向和布索形式多种情况。为了验证本文提出的理论分析方法的正确性和进一步了解该类结构的力学性能,进行了四片波

8、纹钢腹板体外预应力混凝土简支梁的弯曲破坏试验,试验结果与全过程非线性分析程序计算结果之间吻合良好,试验结果表明该方法可以较好地反映此类梁在受弯状态下的工作性能,为进一步研究此类结构奠定了基础。第37卷第11期土 木 工 程 学 报Vol137No1112 0 0 4年1 1月CHINA CIVIL ENGINEERINGJOURNALNov.2 0 0 4 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2 理论分析211 计算假定及材料本构模型在对波纹钢腹板体外预应力

9、混凝土梁进行计算分析时采用如下的基本假定作为计算的基础:主梁的截面变形符合平截面假定;忽略波纹钢腹板的抗弯效应;波纹钢腹板具有足够的屈曲强度,不会发生任何形式的屈曲破坏;梁具有足够的抗剪强度,只发生弯曲破坏;考虑拉区混凝土参加工作,但当其拉应变超过15010-6时,该纤维层混凝土退出工作。在本文的研究中,采用了Rsch方程来描述普通混凝土材料单向受压的本构关系;将普通钢筋和钢板看作理想的弹塑性材料。预应力筋的本构关系采用文献3中所介绍的模型来建立,表达式如下:P=PEP+01002Pf0121315(1)式中:P、P 预应力筋应力、应变;EP 预应力筋弹性模量;f012 预应力筋名义屈服强度,

10、即对应于残余应变为01210-2时的钢筋应力。212 波纹钢腹板的抗弯能力分析如何将波纹钢腹板进行合理的等效简化处理并对其抗弯能力进行正确的评估,是全过程分析之前要首先解决的问题。作者在文献(4)的分析中发现,波纹钢腹板组合梁在外荷载作用下受力非常明确,即剪力主要由波纹钢腹板承担,而上下混凝土翼缘板主要承担弯矩的作用。波纹钢腹板上的纵向应变分布不符合线性分布规律,有限元分析和两片梁的试验结果显示,波纹钢腹板对梁的极限抗弯承载能力贡献不大,考虑波纹钢腹板的影响计算得到的极限荷载比不考虑波纹钢腹板的影响平均提高2%6%左右,梁极限状态下预应力钢筋应力增量和梁的极限挠度变化也很小。因此在本文接下来的

11、分析中忽略了波纹钢腹板对梁抗弯能力的影响。213 截面平衡方程将梁沿纵向分成n个小段,在每一小段内,用截面变形曲率和受压区混凝土高度c来描述该小段的变形,截面上沿梁高任一点y的应变可以用截面变形曲率和受压区混凝土高度c来描述(见图1)。(y)=(y+c-h)当 0时(c-y)当 0时(2)根据材料的本构模型,计算混凝土、钢筋及钢板的应力。在此基础上建立截面内力平衡方程Nc+Nt+sAs+gAg+sAs+gAg+pAp=0(3)M+Mc+Mt+sAs(ys-as)-sAs(yx-as)+gAg(ys-ag)-gAg(yx-ag)-pApyp=0(4)式(3)、(4)中:Nc、Mc为受压区混凝土合

12、力及其对截面形心的弯矩;Nt、Mt为受拉区混凝土合力及其对截面形心的弯矩。联立式(2)(4),在已知预应力钢筋应力增量 p的情况下,即可求得截面的变形曲率和受压区混凝土高度c。214体外预应力钢筋应力增量 p的求解外荷载作用下体外预应力钢筋的应力增量取决于梁体的总变形,它应与全梁的变形相协调。如果已知体外预应力筋在外荷载作用下的伸长量Lp,即可根据式(5)计算其应力增量。p=EpLpLp-pe(5)图1 截面应力、应变关系Fig11Stress-strain relationship at a cross section15 第37卷 第11期宋建永等 波纹钢腹板体外预应力组合梁弯曲性能分析及

13、试验研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图2 单转向直线布索Fig12Single-turn straight line tendon arrargement而体外力筋的伸长量Lp又与梁体变位有关。下面以直线筋单转向的布索形式为例,通过关键点(转向点和锚固点)的变位来求解体外力筋的伸长量。如图2所示,设主梁A、B点的转角为A、B,主梁B、C点的轴向变形分别为uB、uC(uA=0),转向点C的竖向变形为fC,预应力钢筋的伸长量Lp可按式(6)计算。Lp=

14、f2C+L2+uc-AyAp2+f2C+L2+uB+ByBp-uC2-L(6)上式中,锚固点A、B及转向点C的变位可根据下列公式积分求解:A=B=LxL-1(x)dxuB=AB?(x)dxuC=AC?(x)dxfC=AC12x(x)dx+CB12(L-x)(x)dx(7)对于其他转向设置和布索形式的梁来说,体外力筋的伸长量Lp的计算方法相似,具体的计算公式可参见文献4。215 整体分析实际计算时,将主梁沿梁长划分为n个小块,并假定在每一小块内截面变形参数c和不变。假定预应力钢筋应力增量 p,联立式(3)(4)即可求得任一截面的变形曲率和受压区混凝土高度c。然后由式(7)计算梁关键点的变位,通过

15、式(6)计算预应力筋的伸长量,由式(5)求得应力增量的计算值,将计算得到的应力增量与假定值进行比较,反复迭代直到满足精度为止。根据以上的分析方法,编制了波纹钢腹板体外预应力组合梁桥全过程分析程序。程序中计入材料非线性的影响,能够计算波纹钢腹板体外预应力组合简支梁在各种加载方式下,从受荷到最终破坏的整个过程中,截面混凝土和普通钢筋的应变、体外索的应力增量及主梁跨中挠度。体外索的布置可以采用无转向器直线索、单转向器直线索、双转向器直线索、单转向器斜线索、双转向器斜线索等各种形式,梁截面亦可采用任意形状。3 试验验证311 试验过程简介试验梁选择工字形截面,梁的计算跨径为310m,梁高为014m。波

16、纹钢腹板采用A3钢板,厚度为4mm,波形尺寸见图3。全部波纹腹板钢梁在工厂制造完成,试验梁上下翼缘混凝土采用C40级。体外预应力采用 1512j的预应力钢绞线共两束,试验梁的受压区均采用4根 8的 级钢,As=201mm2,受拉区普通钢筋亦采用 级钢。预应力筋的布置形式、转向块设置和受拉区普通钢筋的截面面积等试验梁参数见表1。图3 试验梁波纹外形尺寸Fig13Dimensions of the corrugation for the testing beam表1 试验梁参数Table 1Parameters for the testing beam梁号转向装置体外预应力筋加载方式下缘钢筋直径(

17、mm)和根数下缘钢筋面积(mm2)A三分点转向 直线,2根 1512j三分点加载12(5)566B三分点转向直线,2根 15j三分点加载16(5)1005C跨中单转向直线,2根 15j跨中单点加载12(5)56610D三分点转向直线,2根 15j三分点加载8(3)151 主要测试项目包括:梁端、转向点和跨中位置梁的变形;体外预应力钢筋应力增量;跨中截面和三分点截面普通钢筋、上下翼缘钢板和混凝土的应变;波纹钢腹板的纵向应变。挠度采用百分表测量,钢筋、钢板和混凝土应变采用电阻应变片,预应力钢筋的应力增量采用应力传感器测试,试验荷载采用千斤顶加压,用压力传感器测量。试验装置见图4。312 理论计算值

18、与试验值的比较分析图5和图6分别给出了试验梁A预应力钢筋应力增量和跨中挠度理论计算值与试验值之间从加载到破坏的全过程对比分析曲线,其他各片梁的全过程曲线25 土 木 工 程 学 报2004年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图4 试验装置图Fig14Test apparatus与A梁相近。同时,将极限状态下理论计算得到的极限荷载、极限挠度和预应力钢筋应力增量与实测值进行对比分析,列于表2。图5 荷载-应力增量曲线Fig15Curve of load2st

19、ress increment从表2中可以看出,理论计算的极限状态下试验梁的极限荷载、跨中挠度和预应力筋应力增量与实测结果之间符合良好。除B梁外,其余各片梁的实测值略高于理论计算结果,其中原因可能是理论计算中假设混凝土开裂后拉区混凝土退出工作,而实际开裂混凝土尚存在受拉区域和机械咬合作用,同时在加载后期的破坏阶段,梁内普通钢筋已屈服,裂缝不断扩展,图6 荷载-跨中挠度曲线Fig16Curve of load-midspan deflection承载能力不断下降,实测荷载读数往往偏大。对于B梁,在试验中因其波纹钢腹板的制造和就位有一定的误差,波纹钢腹板在试验加载后期发生了扭转变形和破坏,影响了梁体

20、抗弯能力的充分发挥,使所测得的极限状态下的荷载和挠度与计算值相比偏小。4片试验梁的计算极限荷载与实测值之间比值的平均值为01991,均方差为01062;跨中截面极限挠度之间比值的平均值为01974,均方差为01064;预应力钢筋应力增量之间比值的平均值为01980,均方差为01056。上述分析表明理论计算结果与试验结果之间吻合较好,进一步验证了本文所介绍的非线性全过程理论分析方法对研究此类结构抗弯性能的正确性。进一步分析表2中A、B、D三片梁的计算结果可发现,配置在受拉区的普通钢筋的数量对梁的极限状态影响很大,这将在节4中进行进一步分析。同时对比分析A梁和C梁计算结果发现,三分点加载模式下梁的

21、极限挠度和索应力增量要远远大于跨中单点加载模式下的挠度和索应力增量,这是因为三分点加载和转向这种加载与布索形式与单点加载、单点转向模式相比,梁的变形能力能够得到更充分的发挥。试验破坏阶段梁体的裂缝分布亦说明了这一点,三分点加载模式下梁体裂缝分布均匀密布,而单点加载模式下,梁体在跨中截面开裂后,裂缝迅速扩展、增大和贯通,致使梁体迅速破坏。表2 极限状态下试验梁理论计算结果与试验结果对比分析Table 2Comparative analysis of theoretical calculations and test results for the testing beam under ultim

22、ate state梁号极限荷载计算值pcal(kN)实测值ptest(kN)pcalptest跨中截面极限挠度计算值fcal(mm)实测值ftest(mm)fcalftest预应力筋应力增量计算值 p.cal(MPa)实测值 p.test(MPa)p.cal p.testA173171851001939211262216601938374153811201982B216101981611091812716196110828315268131106C21010224110193761056163019136510721101901D12511125160199618141191110196333

23、916348120197535 第37卷 第11期宋建永等 波纹钢腹板体外预应力组合梁弯曲性能分析及试验研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/4 普通受拉钢筋对梁极限状态的影响A、B、D三片试验梁,其加载方式和预应力筋配置完全相同,只配置在受拉区的普通钢筋的截面面积差异较大,从D梁的151mm2到A梁的566mm2再增加到B梁的1005mm2。三片梁的理论分析和实测结果均表明其极限状态下的力学性能差异很大,其极限荷载随着普通钢筋截面面积的增大不断提高,而

24、极限挠度和预应力钢筋的应力增量却是A梁最大,B梁的普通钢筋用量虽最大,但极限挠度和索应力增量却呈下降趋势。对传统的体外预应力混凝土结构,受拉区普通钢筋的影响是非常显著的,关于这个问题许多文献都有分析和讨论。为了全面了解普通钢筋对波纹钢腹板体外预应力结构的影响。选择如下模型进行详细的变量分析:梁跨径为310m,截面高度为013m;上缘混凝土翼板宽度为013m,厚度为0105m,下缘混凝土翼板宽度为012m,厚度为0105m,波纹腹板厚5mm,高度230mm,上下缘焊接钢板的厚度为10mm,宽为50mm。预应力采用直线布索方式,在跨中设置一个转向装置。研究其在三分点加载方式下,普通钢筋对梁的开裂荷

25、载、极限荷载、极限挠度和钢索应力增量等性能的影响。从表3和图7中可发现,随着非预应力钢筋用量的增加,梁的破坏状态也发生着改变。当普通钢筋用量较低时(钢筋用量 400mm2),普通受拉钢筋的应变达到0101,钢筋拉断破坏,而受压区混凝土的压应变尚未达到其极限压应变01003,但混凝土的压应变随着普通钢筋用量的增加而增大。当钢筋用量增加到400mm2时,在普通钢筋拉应变达到0101的同时,受压区混凝土的压应变也同时达到01003,即梁的破坏形式表现为受拉钢筋拉断的同时混凝土也压碎破坏。当钢筋用量超过400mm2时,梁的破坏形式表现为受压翼缘混凝土压碎,而受拉普通钢筋的应变尚未达到其极限压应变010

26、1。对于跨中单点加载和均布加载的情况,梁的破坏形式与三分点加载基本相同。即总可以找到适当的普通钢筋用量,使得梁的受拉钢筋与受压翼缘的混凝土同时破坏。而在此普通钢筋用量下,此时的预应力钢筋的应力增量和挠度达到最大值,预应力的效率发挥最佳,梁具有很大的挠曲变形能力,极限荷载与开裂荷载的比值为116左右(就本例而言),结构具有足够的延性,不会发生脆性破坏。表3 三分点加载方式下非预应力筋对梁的影响Table 3Influence of regular tension-zone steel bars on the beam under trisect loading编号非预应力受拉钢筋面积(mm2)极

27、限荷载pu(kN)开裂荷载pc(kN)pupc顶边混凝土压应变t普通钢筋拉应变s应力增量 p(MPa)挠度fu(mm)破坏方式12009918651154-010024010099477153216钢筋拉断230011215721156-0100270101024913413钢筋拉断340012515781161-010030101065113612钢筋拉断、混凝土压碎450013810831166-01003010094503219混凝土压碎56001501089151168-01003010073602815混凝土压碎图7 受拉区普通钢筋截面面积变化时的结构效应Fig17Structura

28、l effects of cross-section area variations of the regular tension-zone steel bars45 土 木 工 程 学 报2004年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/5 结 语(1)在分析波纹钢腹板体外预应力组合简支梁的抗弯性能时,忽略波纹钢腹板的抗弯作用是合理可行的。(2)四片试验梁的试验结果与全过程非线性分析程序的计算结果吻合良好,试验结果表明该方法可以较好地反映此类梁在受弯状态下的

29、工作性能。(3)配置在受拉区的普通钢筋对梁的破坏形态及工作性能有着重要影响,通过调整普通钢筋的用量,可以使结构在破坏前具有足够的延性和挠曲变形能力,使预应力钢筋充分发挥效率。参 考 文 献1 宋建永,王彤,张树仁.波纹钢腹板体外预应力混凝土组合梁桥J.东北公路,2002,(1):38402Johnson R.P.and CafollaJ.Corrugated webs in plate girdersforbidges.Structures and Buildings,Vol 123,May 1997,1571643 过镇海.钢筋混凝土原理.北京:清华大学出版社,19994宋建永.波纹钢腹板体

30、外预应力组合梁力学性能研究D.哈尔滨工业大学,20035 王宗林.体外预应力混凝土桥梁极限状态分析D.哈尔滨工业大学,2001宋建永 交通部公路科学研究所博士后,从事预应力组合结构研究。通讯地址:100088 北京西土城路8号交通部公路科学研究所张树仁 哈尔滨工业大学教授,博士生导师,从事桥梁工程研究。王 彤 博士,辽宁省交通高等专科学校副教授,从事桥梁检测及加固研究。吕建鸣 研究员,从事桥梁结构计算和软件开发研究。(上接5页)5 结 论(1)预应力钢筋通常是在高应力状态下工作的,高温作用下由于预应力钢筋的高温蠕变将引起预应力损失,因此对预应力钢筋高温蠕变特性进行研究是非常有意义的。(2)对应

31、力采用Norton模型,对时间采用Bailey模型,对温度采用Arrhenius模型,对试验结果进行回归,该力学模型可以用于高温或火灾下预应力结构分析。(3)通过试验建立了预应力钢筋的高温蠕变和蠕变率模型,采用预应力钢筋高温蠕变率模型对附加预应力损失和火灾下预应力混凝土结构进行了有限元计算,通过算例提出预应力钢筋高温蠕变引起的附加预应力损失估算公式,有限元分析表明对火灾下的预应力混凝土结构必须要考虑预应力钢筋的高温蠕变作用,否则将引起很大的计算误差。参 考 文 献1Cruz,C.R.,Elastic Properties of Concrete at High temperatureJ ,Jo

32、urnal of PCA Res.And Dev.Labs.1968,Vol.10,(3):36422 平修二编,郭延伟译.金属材料的高温强度-理论 设计M.北京:科学出版社,19833 穆霞英.蠕变力学M.西安:交通大学出版社,19904Shi,Xudong,Tan,Teng2Hooi,Tan,Kang2Hai,Effect of force2tem2perature paths on behaviors of reinforced concrete flexural mem2bersJ.Journal of Structural Engineering,2002,128,(3):65735

33、 吕彤光.高温下钢筋的强度和变形试验研究D.清华大学,19966华毅杰.预应力混凝土结构火灾反应及抗火性能研究D.同济大学预应力研究所,20007 李明,朱永江,王正霖.高温下预应力筋和非预应力筋的力学性能J.重庆建筑大学学报,1998,20(4)王 俊 男,研究员,研究方向:建筑结构计算分析。通讯地址:100013 北京安外北三环东路30号,中国建筑科学研究院蔡 跃 男,博士、讲师,同济大学职业技术教育学院,研究方向:预应力混凝土结构、土木专业职业技术教育。黄鼎业 同济大学土木工程学院建筑工程系教授、博士生导师,研究方向:预应力混凝土结构。55 第37卷 第11期宋建永等 波纹钢腹板体外预应力组合梁弯曲性能分析及试验研究