箱梁配筋率對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固效果的影響

張超群

摘要：為了研究箱梁配筋率對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固效果的影響，本文建立了6根體外預(yù)應(yīng)力加固箱梁的空間有限元模型。對(duì)比研究了配筋率對(duì)模型梁跨中截面在預(yù)應(yīng)力作用下彎矩、位移、應(yīng)力的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著非預(yù)應(yīng)力筋配筋面積的增加，梁體的彎矩變化1.3%，位移和截面應(yīng)力分別變化21.3%和36.6%。增加配筋率可以有效的提高梁體剛度，使裂縫均勻分布、發(fā)展，并能夠提高加固梁體在極限狀態(tài)下的抗彎承栽能力。

關(guān)鍵詞：體外預(yù)應(yīng)力；配筋率；承栽力

中圖分類號(hào)：U445.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3024（2017）02-0063-02

前言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)交通事業(yè)發(fā)展迅速，橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)入一個(gè)全面發(fā)展的階段。但由于各種原因，如設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低、車輛超限超載、施工質(zhì)量不嚴(yán)、鋼筋銹蝕等原因，許多橋梁在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后就出現(xiàn)了不同程度的病害，如結(jié)構(gòu)老化、破損，梁體跨中下?lián)希拱寤炷亮芽p，底板混凝土開裂等，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降，橋梁的安全性、適用性和耐久性難以保證。為了保證橋梁的工作性能，必須對(duì)其進(jìn)行加固。體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁能夠有效的恢復(fù)橋梁的工作性能。

影響體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁工作性能的因素很多，主要有鋼筋配筋率、體外預(yù)應(yīng)力筋面積、跨高比、體外索布置形式等。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)梁的彎曲性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，為人們?cè)鲞M(jìn)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的了解作出了巨大貢獻(xiàn)，目前各國(guó)規(guī)范使用的體外預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量公式都是在這些試驗(yàn)研究基礎(chǔ)建立起來(lái)的。然而限于實(shí)驗(yàn)條件，絕大部分試驗(yàn)梁為跨長(zhǎng)5m左右的矩形簡(jiǎn)支或者連續(xù)梁，這與實(shí)際工程中的預(yù)應(yīng)力梁存在較大差別，并且試驗(yàn)過(guò)程本身不可避免會(huì)存在各種原因引起的誤差。采用數(shù)值分析方法來(lái)模擬梁的彎曲性能則能有效克服試驗(yàn)研究的缺陷與不足。

1.用于參數(shù)研究的體外預(yù)應(yīng)力箱梁概況

本文以非預(yù)應(yīng)力筋面積As為研究對(duì)象，主要研究配筋率對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固箱梁的彎曲性能的影響。本文設(shè)計(jì)了如圖1-1所示的箱梁模型，全橋長(zhǎng)3×30m，體外預(yù)應(yīng)力束的束型采用三折線型布束方式，中跨三分點(diǎn)處設(shè)置兩道橫隔板式轉(zhuǎn)向塊，箱梁橋面寬度10m，底板寬5m，腹板厚0.5m，截面高度2m，由于連續(xù)梁支座截面彎矩較大，故在支座處采用實(shí)腹式截面，具體構(gòu)造見圖1-2，圖1-3。截面上部配有面積As=152em²的受壓區(qū)構(gòu)造非預(yù)應(yīng)力筋，到梁頂距離a=45mm。d=15.2mm鋼絞線，公稱面積139mm²，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)nk=1860Mpa，彈性模量E.=1.95×10⁵Mpa。普通鋼筋：HRB235、HRB335鋼筋標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合GBl3013-1991和GBl499-1998的規(guī)定。凡鋼筋直徑小于等于12mm，均采用HRB335熱軋帶肋鋼；采用R235鋼，鋼板應(yīng)符合GB700-88規(guī)定的Q235鋼板。錨具：預(yù)應(yīng)力錨具采用符合國(guó)際后張法預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)FIP標(biāo)準(zhǔn)的I類錨具，其錨固效率系數(shù)大于95%。

根據(jù)需要的研究參數(shù)，本文設(shè)計(jì)了6個(gè)系列的體外預(yù)應(yīng)力加固箱梁模型，各系列的梁及其具體參數(shù)值匯總于表1-1。

2.非預(yù)應(yīng)力筋配筋率對(duì)梁彎曲性能的影響

以受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力筋面積As為變量，As分別從0到1800cm²不等，鋼筋面積As，跨中彎矩M，位移δ，應(yīng)力σ的值列于表1-2。

從表中可以看出，隨著非預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率的增加，預(yù)應(yīng)力在跨中截面產(chǎn)生的彎矩有微弱增加，從2322.8kNom逐步增加到2353.4kN·m，增幅為1.3%。這是因?yàn)榉穷A(yù)應(yīng)力筋面積增加，梁的剛度增大，預(yù)應(yīng)力筋在初始預(yù)應(yīng)力作用下彈性回縮值減少，即彈性回縮損失值減少，增加配筋率可以減少預(yù)應(yīng)力鋼束的損失，但是效果不是很明顯。

圖1-4給出了預(yù)應(yīng)力荷載作用下含有不同As梁的邊跨跨中位移曲線。在預(yù)應(yīng)力荷載作用下，14、L5、L6的邊跨位移曲線變化較為平緩，L1-6梁體均有微小反拱，反拱值在4.18mm-5.07mm之間。從圖1-4中可以看出，IJl反拱值為5.07mm，L2反拱值4.92mm，梁L2與L1配筋面積相差150cm²，反拱差0A5mm，梁L2與L6配筋面積差值1650cm²，反拱差為0.74mm，由此可見，反拱值與配筋率的變化并不是線性關(guān)系，但是配筋率對(duì)截面的反拱影響是明顯的，L1和L6的反拱差值可達(dá)到21.3%。另外，二次效應(yīng)是影響體外預(yù)應(yīng)力加固效果的一個(gè)重要因素，梁體在預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大的反拱值，當(dāng)梁體在正常試用階段必然也會(huì)產(chǎn)生較大的撓度，由于撓度過(guò)大引起的二次效應(yīng)將會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生極為不利的影響。

含有不同As的箱梁在預(yù)應(yīng)力荷載作用下的中跨跨中頂板應(yīng)力曲線以及底板應(yīng)力曲線分別如圖1-5、圖1-6所示。如圖1-5所示，當(dāng)箱梁頂板配置一定量的非預(yù)應(yīng)力受拉鋼筋，頂板混凝土產(chǎn)生分布比較均勻拉應(yīng)力，L1拉應(yīng)力為489.2kN/m²，L2-L6拉應(yīng)力有一定程度的減少，L6拉應(yīng)力為445.3kN/m²，差值為43.9kN/m²，變化幅度為9.8%，與底板混凝土受力分析相比，說(shuō)明頂板配置一定數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力受力鋼筋，可以有效分布預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減少頂板厚度，減輕結(jié)構(gòu)自重。如圖1-6所示，箱梁底板在預(yù)應(yīng)力荷載作用下產(chǎn)生與頂板作用力相反的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力隨著非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率的變化而變化且變化值非常明顯，隨著非預(yù)應(yīng)力筋配筋面積的增大，底板混凝土的壓應(yīng)力逐步減少，受拉區(qū)不配筋梁體L1受到的壓應(yīng)力為699.9kN/m²，14受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力筋配筋率是按我國(guó)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定配置，L4受到的壓應(yīng)力為618.5kN/m²，梁體IJ6受到的壓應(yīng)力為512.5kN/m²，應(yīng)力差為187.4kN/m²，變化幅度為36.6%。配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋較多的L6梁體，受到最大的跨中彎矩2353.4kNom，產(chǎn)生最小的梁頂拉應(yīng)力445.3kN/m²和梁底壓應(yīng)力512.5k/m²，說(shuō)明了非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以提高梁體的剛度，使梁體截面受力更加合理，顯著的改善體外預(yù)應(yīng)力加固體系的受力性能。

梁體在彈性工作階段即梁體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫之前，增加配筋率可以減少預(yù)應(yīng)力損失，改善梁體的彎曲性能以及截面的受力性能，主要是由于增加配筋改善了結(jié)構(gòu)剛度。研究表明：在承載力極限狀態(tài)下，不配筋或者少配筋梁體破壞時(shí)梁體撓度迅速增大，梁體只產(chǎn)生一條或者幾條比較寬的裂縫；增大非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率可以提高梁體的剛度，破壞時(shí)梁體產(chǎn)生多條均勻裂縫，撓度緩慢增加，在支座處產(chǎn)生塑性鉸，內(nèi)力重新分配。梁體破壞的最終狀態(tài)是預(yù)應(yīng)力鋼筋、非預(yù)應(yīng)力鋼筋以及受壓區(qū)混凝土達(dá)到平衡狀態(tài)，這也說(shuō)明配筋率可以提高預(yù)應(yīng)力筋的極限荷載增量。但是，隨著非預(yù)應(yīng)力配筋率的增大，梁體的剛度增大，預(yù)應(yīng)力筋極限荷載增量變大，梁的塑性降低。裂縫出現(xiàn)時(shí)間推遲，梁體發(fā)生變形破壞的可能性降低而發(fā)生整體失穩(wěn)或者脆性破壞的概率增加，因此，體外預(yù)應(yīng)力加固應(yīng)當(dāng)根據(jù)原結(jié)構(gòu)的配筋率進(jìn)行設(shè)計(jì)加固。

3.結(jié)論

3.1非預(yù)應(yīng)力筋面積增加，預(yù)應(yīng)力鋼束彈性回縮損失值減少。

3.2預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)變與截面混凝土應(yīng)變相關(guān)，提高配筋率可以改善截面彎曲性能，從而提高體外預(yù)應(yīng)力加固梁體的極限抗彎強(qiáng)度。

3.3非預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠顯著增加截面剛度，提高截面彎矩抵抗矩，在相同的彎矩情況下，箱梁頂板和底板產(chǎn)生較少的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，從而對(duì)裂縫的分布和開展起到有利的作用。

3.4體外預(yù)應(yīng)力加固可以有效延緩裂縫的出現(xiàn)，增加配筋率可以提高梁體的承載能力，但可能蘊(yùn)藏著潛在的危險(xiǎn)，舊橋提載須謹(jǐn)慎。