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部分预应力混凝土梁刚度的试验研究
在对52片模型梁静载试验结果的分析以及对现行国内外规范的刚度公式进行计算比较
的基础上,进一步通过两片足尺试验梁试验和实桥荷载试验印证,证明用直线双线性法和
有效惯性矩法计算部分预应力混凝土桥梁的刚度是适宜的。
经过统计分析,得出现行公路
桥梁设计规范公式的保证率为95%。
对有效惯性矩的计算公式提出了建议。
(公路交通技术-1999年2期)
怕萼构件的挠虔可根据结构料舛対刚厦用磐列力学公式计冀:
"
霑节(123-1)
式中內提度系数.与荷载种类却支承第件韦关,如童妥冷布荷载的简支梁,计算跨
中接度时,件工5/4联
履匕——按荷载奴曲标准组合计昇的省矩$
B—受弯构件的刚度;
打——汁算跨厦。
《混凝土结构设计规范GB50010-2002〉
为了保证构件的适用性,在验算构件的挠度变形时,要求在荷载效应的标准组合(或称"
短期组合"
)作用下并考虑荷载长期作用影响后的构件挠度,不应超过规范规定的允许限值。
那么如何考虑长期荷载作用对挠度的影响呢?
目前国内建筑工程与公路桥涵工程所采用的方法有所不同。
前者(GB50010-2002)弓I入长期刚度Bl的概念,通过对刚度的折减来考虑挠度随时间的增长;
而后者(JTJ023-85)则采用挠度长期增长系数直接反映挠度随时间的增长。
但是从本质上讲,两种方法是一致的。
假设在荷载长期作用下的挠度增大系数为9,那么构件在荷载作用下的挠度用短期刚
度计算,可以表示为:
at
=t?
—+=
式中Ml为准永久组合(或称"
长期组合"
)弯矩值,Mk为标准组合弯矩值。
(Mk-Mi)即为短暂荷载作用产生的弯矩值。
相同的挠度,若用长期刚度计算,则为:
令上述二者相等,则得
上式即为《混凝土结构设计规范》(GB50010)中的长期刚度的计算公式。
式中
Mk—按荷载效应的标准组合计算的弯矩,取计算区段内的最大弯矩值;
Mq—按荷载效应的准永久组合计算的弯矩,取计算区段内的最大弯矩值;
Bs—荷载效应的标准组合作用下受弯构件的短期刚度,按下式计算;
考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数,按前述规定取用。
注:
上式为矩形、T形、倒T形和I形截面受弯构件按荷载效应的标准组合并考虑荷载长期作用影响的刚度计算公式。
式中荷载长期作用下的挠度增长系数0按下式计算:
0二2.0-
P
P1—A1P—As/(b/iQ)
钢筋混凝土受弯构件考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数0是根据国内一些单位长期试验结果并参考国外规范的规定而给出。
式中,p和p'
分别为纵向受拉和受压钢筋的配筋率。
受压钢筋能阻碍受压区混凝土的
徐变,混凝土压应变越小,截面曲率就越小,相应地长期挠度也越小。
上式的p'
/项就是
为了反映受压钢筋的这一有利影响。
此外,根据国内试验结果,翼缘在受拉区的T形截面
的值比配筋率相同的矩形截面的为大,故规范还规定,对翼缘在受拉区的T形截面,0应
在上式的基础上增大20%。
一般均为小梁试验,且截面型式一般为T型。
8.2.5考堪荷载长期作用对挠度增大的影响系数0可按下列规定取用:
1钢筋混凝土受弯构件
当P’”时,取B=2.0;
当时,取0=1.6:
当为中间数值时,。
按线性内插法取用口此处.“=岸丿(叭),D=仏(咖“
对翼缘位J•受拉区的倒T形截面,6应增加20%o
2预应力混凝十受弯构件,取日
挠度计算式为:
《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)
+-MJ
廿
6计算公式同上。
为便于计算,对于公路桥梁,常遇的恒、活载比例下,Mi/Mk=(0.557
~0.894),取平均值为Mi=0.733Mk。
另外,公路桥梁钢筋混凝土受弯构件通常不配受压区纵向受力钢筋或配置很少,因而可近似地取6=2.0,对于高强混凝土结构构件,当p=0时,6
=1.85~1.65之间。
将以上Ml=0.733Mk及6值代入公式,即可得到:
C40以下混凝土时,n=1.7
米用C40~C80混凝土时,n=1.6~1.4,中间强度等级按直线插入取值。
此即《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023)对挠度长期增长系数n的规定
《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)
对于允许开裂的预应力混凝土受弯构件,据东南大学研究资料介绍,如将=胚。
十M爲弋入本说明公式619)(叭为消压弯矩,为对应于开裂预应力混凝土受弯构件的非预应力混凝土受弯构件的卄裂弯矩人并根据试验资料进行适当修正,也可得到与钢筋泯凝土构件统一的预应力混凝土受弯构件等效截面的抗弯刚度。
但是通过对公路桥梁现有受弯构件的试算,按此等效刚度计算的挠度,叱按氐规范计算的大得较多。
因此,本规范仍保留原规范的计算方法,只足根据多座预应力混凝土公路桥梁的实桥试验,将构件的刚度作适当调報口
开裂弯矩财丘按下式计算I
Mqr=(叶+加)旳
呦+d耐)
刑主礼—一
fL=fs—
£
二2.0-氏止
Pr=A//(*◎),P=Aj(b/tQ)
pnp分别为纵向受拉和受压钢筋的配筋率。
0计算公式同上。
对于公路桥梁,常遇的
恒、活载比例下,取平均值为Mi/Mk=0.56。
公路桥梁钢筋混凝土受弯构件通常不配受压区纵向受力钢筋或配置很少,因而可近似地取0=2.0,对于高强混凝土结构构件,当p=0时,
0=1.85~1.65之间。
将以上Mi=0.56Mk及0值代入公式,即可得到:
C40以下混凝土时,n=1.60
采用C40~C80混凝土时,n=1.45~1.35,中间强度等级按直线插入取值。
此即《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)对挠度长期
《公路桥涵工程混凝土构件挠度验算》:
若采用短期刚度和短期效应组合下的弯矩值计算,引入挠度长期增长系数,则长期
挠度计算公式可表示为
P和p'
《公路桥规》规定,受弯构件在使用阶段
的挠度应考虑荷载长期效应的影响,即按荷载短期效应组合计算的挠度值,应乘以挠度长期增长系数。
受弯构件的刚度确定后,可用结构力学公式计算构件的挠度,则使用阶段的挠度验算可表达为
《美国ACI-1977年规范》
根据康奈尔大学的试验结果,将短期荷载引起的挠度乘以(1+'
)得到长期挠度,贝
「=1.•,p
式中:
4――总挠度;
S――短期挠度;
r――活载引起的瞬时挠度;
■――由混凝土收缩、徐变引起的挠度增长系数,可查上图曲线。
对混凝土收缩、徐变取终值时:
■=2.0一1.2么
Ag
式中,A'
9、A9为混凝土受压和受拉区钢筋的截面积。
试验表明,受常荷载作用下的偏心受压带缺口混凝土试件(持续荷载近一个月),徐变将大大加快缺口处混凝土的开裂进程,加速试件的破坏。
混凝土箱梁的短期与长期受力性能(湖大07博)
钢筋混凝土连续箱梁的长期性能
模型总长9.05m,顶板宽2.4m,连续箱梁计算宽跨比为0.542,跨高比为11.063,两端及中间支座位置设横隔板。
本试验主要测试连续箱梁跨中截面在持续荷我作用下的长期挠曲变形,持荷
I006d实测跨中截面挠度—时闾关系如图6」8所示。
从图618可看出如下规律:
(1)持荷1006d时,A-A跨跨中截面的长期挠曲变形实测值为初始变形的2.83〜2.99倍;
B・B跨跨中截面的长期挠曲变形实测值为初始变形的2.97〜3.04倍。
这里要说明的是跨跨中截面的初始变形较X」跨偏大,长期挠曲变形亦偏大;
同时,毎跨荷载亦存在横向偏心,故每跨对称位置的长期挠曲变形亦存在偏差。
(2)持荷荷载作用前3个月的挠曲变形发展较快,后期发展基本趋于稳定./以跨跨中截面持荷29d、91d、181d、364d、728d实测挠曲变形分别完成1006d变形的46.6%、55.7%、60.4%、78.5%、94.0%;
跨跨中截面持荷29d、91d、181d、364d、728d实测挠曲变形分别完成1006d变形的47.9%、53.8%、55.9%、78.7%、96.4%。
图6」8持续荷载作用实测挠度变形时程曲线
如果不考虑长期荷载作用下连续箱梁的结构内力重分布影响,按规范JTGD62-2004计算挠度长期增长系数为7,=1-759,则长期挠曲变形理论计算值为3.32mm;
如果按规范GB50010-2002计算挠度长期增长系数为&
=1.6(规范规定B=P时取1.6,当p'
>
p时,取下限值1.6),则长期挠曲变形理论计算值为3.02mm。
而本文连续箱梁持荷1006d长期挠曲变形实测值为5.58mm,较以上规范理论计算值分别偏大68%、85%。
若按持荷10年考虑,按本文分析程序预测跨中截面长期挠曲变形计算值为5.36mm,较以上规范理论计算值分别偏大61%、78%,可见连续箱梁结构内力重分布效应对其长期挠曲变形的彩响较大。
预应力混凝土箱梁的长期受力性能
制作了大比例宽箱梁试验模型,顶板宽2.4m,底板宽0.9m,咼0.4m,非预应力纵向钢
筋为中16,预应力筋采用中9.SCFRP筋。
模型总长4.52m,计算跨度4.32m,两端设横隔板,跨中位置设中横隔板。
本试验主要测试箱梁L/HL/2.3"
4跨截面持续荷戦作用下的挠曲变形,持荷lOOld实测挠度一时间关系如图5.15所示.从图5.15可看出如下规律;
(1)持荷1001d.跨的长期挠曲变形实测值为初始变形的2.32-2.42倍;
U2跨顶扳悬臂端的长期挠曲变形实测值为初始变形的2.27-2.42倍;
/4跨长期挠曲变形实测值为初始变形的Z13-2.25倍。
可见跨因收缩徐变引起的挠曲变形发展较"
4跨稍快。
(2》持续荷载作用前3个月的挠度变形发展较快,持荷2年挠曲变形慕本趋于稳也U2跨截面持荷31d>
98d.196d.365d.7l4d实测挠曲变形分别完成100】d变形的53.4%、60.3%.63.9%.79.7%.94.9%.
图持续荷载件用实测挠曲变形时程曲线
对允许开裂的衣类预应力混凝土构件,持续荷载作用按规范JTGD62-2004〔円】计算的长期挠度增长系数为瑪=20按规范GB50010-2002111^计算的长期挠度增长系数亦为%-2.0,木试验箱梁持荷lOOld实测跨中截面的挠度增长系数廟=2.37,己较规范规定值偏X18,5%,如果长期变形按10年考虑,采用咫线性法和曲率法预测跨中截面的挠度长期增长系数分别为2.43和2.33,较规范规定值分别偏大2L2%和16.5%,可见薄壁箱梁均布荷载作用下的实测挠度艮期增长系数较规范取值偏大口建议取长期挠度增长系数为帀产Z45,此时长期挠度变形理论预测值与实测结果吻合较好°
(7)对10根混凝上矩形截面梁,包括6根普通钢筋混凝七梁和4根CFRP片材加固梁进行了673d的长期受力性能试验,运用徐变换算截面法预测了长期挠曲变形。
研究表明:
碳纤维片材对混凝土梁的长期挠曲变形影响很小;
参数分折表明:
随CFRP层数增加,短期与长期挠曲变形系数基本上均呈线性递减趙势:
受压配筋率对短期挠曲变形系数影响较小”对长期挠曲变形系数彩响较大口荷载增长对短期挠曲变形的彫响较艮期挠曲变形显着:
开裂临界荷载作用下,是否考虑混凝土开裂对长期挠曲变形与短期挠曲变形之比影响不大。
(8)长期挠曲变形与短期挠曲变形之比,C50梁持荷近670d按理论计算为1.66~1・74,按实测结果为1.76-1.86,按规范JTGD62-2004计算曲1.76,按规范GB50010-2002计算为梁持荷近650<
1按理论计算为1上卜1/73.按实测结果为】・71~1.82,按规范JTGD62-2004it算为1.71,按规范GB50010-2002计算为1.習7*可见按现行设计规范可较好的预测矩形截面梁的検期挠曲变形°
(3)本文仅对箱形截面梁、矩形截面梁的短期与长期受力性能进行了试验研究’而现行设计规范一般将箱形截面梁简化为工形截面槃来进行计算,因此,应对工形截面梁的短期与长期受力性能进行试验,以检验规范假定的可靠性。
试验表明,在加载初期,梁的挠度增长较快,随后,在荷载长期作用下,其增长趋势
逐渐减缓,后期挠度虽继续增长,但增值很小。
实际应用中,对一般尺寸构件,可取1000
天或3年挠度作为最终值。
对于大尺寸构件,挠度增长可达10年后仍未停止。
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- 规范 长期 挠度