预应力混凝土梁弹性反拱度的确定

预应力混凝土梁弹性反拱度的确定

预制混凝土梁的优点是结构刚性好，重量轻，既能提高预制混凝土的制备程度。但在当前,施工中梁的反拱值往往得不到重视,这就会出现成桥后各片梁的反拱值大小不一等现象;而且也会影响桥梁结构的线形美观。针对这一实际情况,本文对预制预应力混凝土箱梁的反拱度进行试验和分析。以实际工程为背景,测量40m预制箱型梁的弹性反拱值和徐变反拱值;并借助MIDAS/Civil分析软件建立试验箱梁的有限元模型;将实测值与模型模拟结果、理论计算结果进行对比分析。1预应力束的选择箱梁共有12根预应力束,N2、N3、N4、N5、N6预应力束都采用4ϕ15.2mm钢绞线,N1预应力束采用3ϕ15.2mm钢绞线。箱梁预应力束布置如图1所示。2弹性反拱度的测试应用塞尺进行试验梁弹性反拱值的量测,并按照一定的时间间隔测量由于徐变而产生的徐变反拱度值。本文应用其中10片试验箱梁的实测数据,所有的试验梁在预应力束张拉以后的10d内,每天三次对梁体挠度值进行测试,10d后测量频率调整为每日一次,30d以后则为每5d测试一次。利用有限元软件MIDAS/Civil对40m预应力箱梁进行建模分析,计算得到的预应力混凝土箱梁的弹性反拱度值如图2所示,其与实地测得数据对比分析如图3所示。由图2～图3可以得到:实测反拱值与理论反拱值接近,理论值稍微大于平均值,其原因是在使用MIDAS/Civil建模时使用的预应力束与管道间的摩擦系数、偏差系数小于实际值;由图3可以看到:箱梁跨中断面处的弹性反拱度值主要在4～6mm之间,平均反拱值为4.855mm。实测数据虽具有一定地随机性,但变化范围较小,可以作为参考值来使用。3徐变反拱试验和分析3.1混凝土徐变系数的确定混凝土材料的徐变程度,通常可以采用混凝土的徐变系数φ(t,τ)来表征。目前对混凝土的徐变系数的表征主要应用以下两种定义方式:εc(t,τ)=σ(τ)E28φ(t,τ)(1)εc(t,τ)=σ(τ)E(τ)φ(t,τ)(2)εc(t,τ)=σ(τ)E28φ(t,τ)(1)εc(t,τ)=σ(τ)E(τ)φ(t,τ)(2)式中,混凝土材料的标准加载龄期τ;对于蒸汽养护混凝土为1～3d,而对于潮湿养护混凝土为则为7d。根据式(1)、(2)可推出:φ(t,τ)=εc(t,τ)σ(τ)/E28φ(t,τ)=εc(t,τ)σ(τ)/E28或φ(t,τ)=εc(t,τ)σ(τ)/E(τ)φ(t,τ)=εc(t,τ)σ(τ)/E(τ)根据我国混凝土收缩与徐变专题协作组在1986年12月对混凝土结构的徐变系数计算方法中得到:φ(t)=φ(t)0·k1·k2·k3·kφ44φ·k5·k6式中,φ(t)0为混凝土材料徐变系数的基本方程;k1为环境相对湿度的影响系数;k2为构件截面尺寸的影响系数;k3为养护方法的影响系数;kφ44φ为加载龄期的影响系数;k5为粉煤灰取代水泥量的影响系数;k6为混凝土强度等级的影响系数。本试验地区为黑龙江省牡丹江市,据资料显示,该地区在7月的平均相对湿度为77%。工程实际中混凝土主梁的龄期为7d。经过计算构件的理论厚度取值为200mm。根据课题组对影响系数的总结表格及基本方程,本试验地区的徐变系数的理论计算表达式为:φ(t)=0.7616⋅t0.64.168+0.312t0.6(3)φ(t)=0.7616⋅t0.64.168+0.312t0.6(3)根据JTGD62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》附录F可以查到混凝土材料的徐变系数表达式为:ϕ(t,t0)=ϕ0⋅βc(t−t0)=[1+1−RH/RH00.46(h/h0)13]⋅5.3(fcm/fcm0)0.5×10.1+(t0/t1)0.2⋅[(t−t0)/t1βH+(t−t0)/t1]0.3(4)ϕ(t,t0)=ϕ0⋅βc(t-t0)=[1+1-RΗ/RΗ00.46(h/h0)13]⋅5.3(fcm/fcm0)0.5×10.1+(t0/t1)0.2⋅[(t-t0)/t1βΗ+(t-t0)/t1]0.3(4)其中,βH=150×[1+(1.2RH/RH0)18]h/h0+250。式中,t为考虑计算时刻的混凝土材料龄期,d;RH0=100%;h0=100mm;t1=1d;t0为加载时的混凝土材料龄期,可取为7d;根据以上计算式可得到徐变系数计算表达式为:ϕ(t)=2.145⋅(t−7)0.3(t+615.31)0.3(5)ϕ(t)=2.145⋅(t-7)0.3(t+615.31)0.3(5)将时间t表示为徐变持荷时间,根据(5)式得到的本试验地区的徐变系数的理论计算式为:ϕ(t)=2.145⋅t0.3(t+615.31)0.3(6)ϕ(t)=2.145⋅t0.3(t+615.31)0.3(6)3.2徐变系数实测修正通过在施工现场跟踪测量的2片预应力混凝土箱梁反拱值得出的混凝土梁体徐变系数与理论公式(3)、(6)的计算结果进行对比分析,见图4、图5。由图4、图5可以看出,由实测反拱值推出的徐变系数与由理论公式(3)、(6)计算的徐变系数变化趋势一致,但实测徐变系数比理论系数小,主梁的实际徐变反拱度要小于理论值,这是由于实际工程所处时间段为雨季,平均相对湿度RH>77%产生的。根据实测的徐变系数可以对由(5)式推算出的徐变系数计算公式进行修正,使之与实际测量数据更吻合。修正后的徐变系数计算公式为:ϕ(t)=1.918⋅t0.3(t+622.31)0.3(7)ϕ(t)=1.918⋅t0.3(t+622.31)0.3(7)修正后的徐变系数曲线与各试验梁的徐变系数实测曲线对比如图6所示:由图6可以看出,修正以后的徐变系数发展曲线与试验梁体测得的徐变系数曲线的变化趋势更加接近,尤其是随着混凝土徐变的发生,两者发展曲线接近重合。4混凝土箱梁检测本文分析了预应力混凝土梁的弹性反拱和徐变反拱。并将实测弹性反拱值和理论模拟值进行对比分析,得出40m跨径箱梁的弹性反拱度值主要在4～6mm之间变化,其平均反拱值为4.855mm。与理论计算值相差较小,可以作为参考数据采用。通过对混凝土箱梁的跟踪测量,采集了共计90d的徐变反拱挠度的数据,将由这些数据推算的徐变系数与公式(3)、(6)规定的徐变系