钢筋混凝土简支桥面梁受弯刚度的试验研究

钢筋混凝土简支桥面梁受弯刚度的试验研究

由于车辆负荷和各种物理和化学的影响，北京的许多采用钢筋混凝土（rc）的简单支臂桥发生不同程度的耐用性损伤，这不仅降低了卡车的承载量，而且降低了刚度，影响了桥梁的适用性。耐久性损伤对受弯构件刚度影响的研究很少。本文用钢筋粘结系数来考虑钢筋和混凝土之间共同工作性能降低对受弯刚度的影响,提出了受损简支桥面梁受弯刚度的估算方法。试验结果验证了本文的方法。1截面刚度与受拉钢筋应力根据《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89),普通配筋矩形截面的RC受弯构件在荷载短期效应组合作用下的短期刚度Bs按下式计算:Bs=EsAsh201.15ψ+0.2+6αEρ(1)Bs=EsAsh021.15ψ+0.2+6αEρ(1)式中αE——钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值;ρ——纵向受拉钢筋配筋率,ρ=Asbh0;ρ=Asbh0;ψ——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数,按式(2)计算:ψ=1.1−0.65ftkρteσss(2)ψ=1.1-0.65ftkρteσss(2)式中ρte——以有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率,ρte=As0.5bh;ρte=As0.5bh;σss——梁的纵向受拉钢筋应力,σss=Ms0.87h0Asσss=Μs0.87h0As。由上式,截面刚度Bs与截面弯矩Ms及受拉钢筋面积As有关。因此,通常RC梁的截面刚度沿梁长是变化的。变刚度梁的变形计算比较复杂,为了实用上的方便,简支梁可取最大弯矩Mmax截面对应的最小刚度Bsmin进行计算,这样简化带来的误差不大。若简支梁在三分点作用集中力,不计自重影响,梁跨中挠度Δ和梁跨中纯弯段弯矩M之间的关系如式(3)。此时,梁截面刚度和受弯刚度成正比,梁截面刚度的变化直接反映了梁受弯刚度的变化。Δ=23Ml2216Bsmin(3)Δ=23Μl2216Bsmin(3)2钢筋粘结系数e在用RC简支桥面梁的截面受弯刚度也可用式(1)计算,但应考虑钢筋因锈蚀引起截面面积损失、材性变化以及钢筋与混凝土之间共同工作性能降低的影响。钢筋面积采用锈后实际值;混凝土强度采用实测值;假设钢筋锈蚀前后材性保持不变。用钢筋粘结系数βE考虑钢筋与混凝土之间共同工作性能的降低。钢筋粘结系数βE反映钢筋和混凝土之间的粘结状况:βE=1为粘结完好;βE=0为粘结完全丧失,二者之间仅有梁端的锚固作用,钢筋成为拉杆;0<βE<1为粘结作用介于上述两种情况之间。钢筋粘结系数βE的取值根据计算截面各钢筋所对应的混凝土保护层的破损状态确定,如表1。截面全部受拉钢筋βE的平均值为β¯β¯E,作为估算,用β¯β¯E反映钢筋和混凝土粘结作用降低对简支梁截面刚度的影响。由于钢筋与混凝土的粘结作用降低,受拉钢筋的应变趋于均匀,使裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ增大。记钢筋粘结系数β¯β¯E对应的破损状态下的钢筋应变不均匀系数为ψ¯¯ψ¯E。如图1,当β¯E=1β¯E=1时,ψ¯¯E=ψ(ψψ¯E=ψ(ψ为完好梁的钢筋应变不均匀系数,用式(2)计算);当β¯E=0β¯E=0时,ψ¯¯E=1ψ¯E=1;当0<β¯E<10<β¯E<1时,ψ¯¯ψ¯E按式(4)线性插值:ψ¯¯E=1−β¯E(1−ψ)(4)ψ¯E=1-β¯E(1-ψ)(4)3损伤梁刚度根据上述分析,确定危险截面(可取构件弯矩较大范围内损伤最为严重的截面)后,可按下述方法估算损伤的在用钢筋混凝土简支桥面梁的实际截面刚度:(1)实测梁的截面尺寸、混凝土强度(换算为轴心抗压强度,取平均值)、钢筋强度和钢筋锈后截面面积(钢筋取样有困难时可近似取钢筋强度标准值,保护层完好的钢筋截面面积可近似取公称直径计算);(2)根据混凝土保护层的损伤情况,确定各钢筋粘结系数βE,取均值得到梁的平均钢筋粘结系数β¯Eβ¯E,按式(4)计算ψ¯¯ψ¯E;(3)用式(1)计算简支梁实际截面刚度BEs,钢筋的应变不均匀系数采用ψ¯¯ψ¯E。由上述方法得到的简支梁的截面刚度称为估算值。若以《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)(简称为“桥涵设计规范”,下同)的截面刚度计算公式为基础,则损伤梁刚度估算如下:(1)实测梁的截面尺寸、混凝土强度(换算为轴心抗压强度)和钢筋锈后截面面积;(2)取截面尺寸、混凝土强度实测值,取钢筋面积设计值,用式(1)计算完好梁的截面刚度B0s;(3)用式(1)计算损伤梁的截面刚度BEs估算值;(4)计算刚度比n=BEs/B0s,它反映了钢筋面积减小和钢筋与混凝土的粘结损伤对梁刚度的影响;(5)取截面尺寸和混凝土强度实测值,取钢筋面积设计值,用《桥涵设计规范》方法计算完好梁截面刚度Bsq;(6)用n和Bsq,得到损伤梁的截面刚度BEsqsqE=nBsq。由上述方法得到的梁截面刚度称为鉴定值。如果混凝土没有损伤,可取其设计值进行计算;钢筋面积对梁截面刚度的影响不敏感,当钢筋面积损失较小时,也可取设计值进行计算。式(1)为普通配筋矩形截面梁的短期刚度计算公式,式(3)为三分点加载条件下梁跨中挠度的计算公式。对其它截面和荷载形式普通配筋的在用简支桥面梁,可类似地计算其截面刚度的估算值和鉴定值。4钢筋粘结系数m-曲线试验采用从马家堡桥拆下的使用了33年的3根板梁(L1、L2和L3)作为试件。试件的截面、配筋、损伤情况、材性及试验结果等参见文献。参考表1,根据3根板梁的损伤状况,确定跨中截面各粘结受损钢筋的粘结系数βE如下:L1:A、B和B、C交角处钢筋分别取为0.8和0.6‚β¯E=0.950.6‚β¯E=0.95;L2:A、B交角处的3根钢筋分别取为0.2、0.4和0.6,B、C交角处的钢筋取为0.6‚β¯E=0.820.6‚β¯E=0.82;L3:A、B交角处的4根钢筋分别取为0、0.4、0.6和0.8,B、C交角处的3根钢筋分别取为0、0.2和0.6‚β¯E=0.630.6‚β¯E=0.63。混凝土强度和钢筋面积取实际值,钢筋应变不均匀系数ψ¯¯ψ¯E用式(4)计算。用式(3)计算跨中截面的M-Δ曲线,计算曲线与试验曲线的比较如图2所示。由图2可见:估算结果与试验结果吻合较好,说明用钢筋粘结系数反映钢筋、混凝土之间粘结损伤对梁受弯刚度的影响是可行的,钢筋粘结系数的数值也较合理。根据“桥涵设计规范”,梁式桥主梁跨中的允许挠度为计算跨径L的1/600。因此,本文试验的板梁的跨中允许挠度为10.5mm。表2列出了当跨中挠度达到允许挠度时板梁跨中弯矩的估算值和试