折线先张预应力混凝土简支梁徐变系数试验研究

折线先张预应力混凝土简支梁徐变系数试验研究

1折线先张梁的处理及徐变系数试验研究中国的铁路和公路建设正在迅速发展。在铁路和公路桥上，中等和小高差预测梁占很大比例。以钢绞线为预测梁的初始张力梁的跨度一般小于20m，根据先张法的实践，组件中的预测梁通常是直线的，梁的实际弯曲是难以配置的。在大多后张法预应力桥梁施工中,影响结构耐久性的管道灌浆不密实、张拉端局压而引起的混凝土破坏等技术难题难以避免。折线形配筋的先张法预应力混凝土构件通过预应力线型的改变实现了对外荷载有效的平衡,亦避免了后张法中诸多技术难题。青藏铁路中的24m折线先张梁,桐柏淮河公路桥中35m跨折线先张箱梁等均已成功实践。由于预应力筋布束形状及张拉方式的差异对徐变性能造成一定的影响,所以对折线先张梁进行长期加载下徐变变形试验研究有重要意义。本文通过对二根置于标准养护环境中、一根置于室外自然环境中的7.5m跨的折线先张预应力简支梁进行长期加载,对试验梁跨中截面上边缘及下部纵向非预应力筋高度处的弯曲应变徐变情况进行了定时观测,得出了折线先张梁徐变及徐变系数时程曲线,并指出时程曲线变化规律。通过对试验梁徐变系数试验值采用Datafit软件进行数学处理,得出了试验梁徐变系数时程曲线的拟合公式,并与1986年中国建筑科学研究院等十个研究单位的研究成果(以下简称“我国86成果”)、ACI209R-92、CEB-FIPMC90等规范对试验梁的徐变系数计算结果进行了对比,分析了各规范对试验梁在进行徐变系数预测时的差异。并结合我国86成果的“多系数法”,提出了以试验数据为基础、基于折线先张梁工程应用的徐变系数计算公式,可为该类桥梁结构在进行与徐变性能相关的设计或施工时提供参考。2试验总结2.1混凝土变形试验试验梁长7.5m,计算跨度7.2m,截面尺寸200mm×400mm,钢绞线fptk=1860MPa,σcon=0.75fptk。非预应力筋及箍筋均采用HRB500级钢筋,箍筋用Φ8@200/100,钢绞线和非预应力筋保护层厚度分别为50mm和25mm,试验梁预应力筋线形及截面如图1所示。张拉完成后,即时浇筑C50混凝土,自然条件养护28d后放张,混凝土配合比如表1所示。应变补偿小梁SHB1、SHB2,除未有配置预应力筋外,其他参数与XPB1相同,分别置于试验梁同一环境中。试验梁放张后吊装至橡胶支座上、呈简支状态采用三分点对称加载,通过施工过程中监测的有效预应力和加载重量的改变来控制预应力度。跨中弯曲应变采用手持千分尺(标距为225~250mm)量测后换算;千分尺测点采用不锈钢探头埋入混凝土中10mm左右,对由此探头埋设给量测应变造成的影响,通过在梁同一纵向高度截面粘贴的应变片(S2120-10AA型丝式纸基电阻应变计,电阻值119.5±0.2%,灵敏系数2.097±0.57%,栅长×栅宽为10×3mm),由加载初期一周内同一时间段CM-2B型静态电阻应变仪电测应变值进行了修正。为了减小温差影响,变形测量时尽可能在测量日的同一时段,并且要求千分尺每次测点位置相同,量测精度可达15×10-6。各时间段应变值应扣除补偿小梁同一时刻测定的温度、收缩及碳化等因素引起的应变值。试验梁加载示意图、实物图及加载时相关力学性能参数分别如图2、表2所示。2.2加载环境及湿度试验梁浇注后养护28d放张。放张3d后将XPB2放到自然环境中加载;放张5d后将XPB1、XPB3放到室内环境中加载;在加载30d后实现近似标准条件(温度20±3℃,湿度为80%左右)加载。环境温度及湿度时程图如图3所示。室外和室内环境平均温度为22.9℃和21.6℃,平均湿度为52.1%和79.4%。3结果分析与研究3.1试验梁跨中截面下边缘混凝土徐变变化混凝土徐变是指混凝土在持续应力作用下,应变随时间不断增加的现象。对试验梁跨中截面弯曲应变徐变值进行了长期观测,绘出了截面上边缘及下部纵向钢筋截面处的徐变应变时程曲线如图4。从图4中看出,试验梁跨中截面上边缘加载后前30d徐变应变发展较快,约占第一年徐变的60%左右。根据相关资料,取70年徐变随时间发展的相对比值为1.0,可估计出前30d的徐变值约占总徐变40%;随着时间发展,徐变发展速度趋缓,达90d时,徐变约为第一年徐变总量的70%左右,约占总徐变的50%左右。试验梁跨中截面下部纵向钢筋位置处混凝土徐变随时间发展曲线如图4所示,对于XPB1及XPB3两根全预应力梁,随时间增加,试验梁下边缘混凝土徐变值较小,徐变值基本趋于稳定;XPB2下边缘混凝土徐变值波动较大。考虑到手持应变仪在测量时可能存在的仪器及人为误差,可初步推定全预应力梁跨中截面下边缘纵筋位置处应变变化很小;部分预应力梁跨中截面下边缘纵筋位置处应变有一定增加,但最终趋于稳定。3.2试验梁跨中截面初应变分析徐变系数是指混凝土在持续应力σc(σc≤0.5fc)作用下所产生的徐变应变εc与混凝土在受同等应力σc所产生的弹性应变ε1之比,一般用符号φc(t,t0)=εc/ε1表示。试验梁跨中上边缘截面初应变采用预应力、自重和外加荷载共同产生应变叠加值,本文适当考虑至施加外部荷载时预应力及自重产生的徐变;对由于预应力、自重荷载与外加荷载施加龄期的差异在徐变应变计算时适当的忽略。XPB1、XPB2及XPB3跨中截面上边缘初应变试验测定值分别为203×10-6、255×10-6及211×10-6。根据徐变系数定义和试验测定结果,采用DATAFIT软件对试验梁徐变系数时程曲线进行了拟合和数据分析分别如图5和表3所示。可以看出,采用双曲幂函数对徐变系数试验值进行拟合有良好数理统计特征和较高精度。4徐变系数的计算公式为4.1施用程序对计算结果的预测结合相关规范中关于徐变系数计算的规定,本文分别引用ACI209R-92、我国86成果、与CEB-FIPMC90模式对试验梁徐变系数时程关系进行了计算,并与试验梁徐变系数拟合公式计算值进行了对比。从图6和表4中看出,放置于室内的两根梁徐变系数介于CEB-FIPMC90与我国86成果计算结果之间,其中XPB3结果与我国86成果比较接近;室外梁XPB2计算结果与我国86成果比较吻合。对试验梁而言,ACI209R-92对徐变结果预测最低,CEB-FIPMC90其次,而与我国86成果最为接近。不同规范对于同一构件的徐变系数计算值偏差较大,最大可达20%~30%,这主要与徐变的诸多影响因素的复杂性和不确定性有关,因此基于试验基础的折线先张预应力梁徐变系数计算公式进行研究,对该类梁工程应用有着重要意义。4.2折线先张梁徐变系数从3.1节分析可知,我国86成果对试验梁徐变系数预测效果较好。我们以试验梁徐变试验数据为基础,对折线先张梁徐变系数计算采用“多系数法”,并参考文献中关于徐变影响因素指标的量化值,建立了以试验数据为基础的可在工程中应用的折线先张梁的徐变系数计算公式:其中,φ(t,t0)为龄期t0开始受力至时间t为止的梁弯曲应变徐变系数;φ(∞,28)为近似标准条件下(温度20±3℃,湿度为80%左右),混凝土龄期28d时加载,梁受压边缘混凝土徐变系数终值,对于折线先张梁,根据试验结果,本文建议取2.10;k0为考虑预应力度、配筋率等因素的综合影响系数,本文结合试验梁和MIDAS-CIVIL的分析结果,对折线先张梁建议取1.15;kd、kv、kH分别为加荷龄期、构件截面尺寸和环境湿度影响系数,三系数值可参考文献中的相关规定;kt为徐变的持荷时间影响系数,依试验结果确定为:因此,本文建议折线先张预应力梁弯曲应变徐变系数公式为:5徐变验算规范根据试验实测数据及试验研究成果,本文得出以下几点结论:(1)折线先张全预应力梁在压应力较小的边缘混凝土徐变很小,一定