任重昕 于曉坤 蘇義坤

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

白 浪

(哈爾濱工業(yè)大學)

單因素耐久性退化后預應力混凝土簡支梁橋的承載力分析1)

任重昕 于曉坤 蘇義坤

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

白 浪

(哈爾濱工業(yè)大學)

從影響預應力混凝土簡支梁橋耐久性能的因素中，選取3個因素(初始預應力、室溫循環(huán)下混凝土強度、凍融循環(huán)下混凝土強度)，運用有限元單元法對預應力混凝土簡支梁橋的承載力進行分析。結果表明：初始預應力越大，簡支梁的撓度也就越大；鋼絞線的有效預應力越大，撓度的變化最大值越小。在室溫環(huán)境下，隨著使用時間的遞增，簡支梁梁底跨中混凝土應變呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在凍融循環(huán)下，隨著荷載的增大，同一凍融循環(huán)作用下的跨中梁底混凝土的應變逐漸減小，混凝土的應變值隨著凍融次數(shù)的增加而變大。

預應力混凝土；簡支梁橋；結構承載力；單因素分析

長期以來，混凝土強度的研究一直受工程界的關注，但其結構耐久性方面的研究卻略顯不足。預應力混凝土結構的耐久性病害，會在一定程度上減少結構的使用壽命，并對結構的安全服役產(chǎn)生隱患[1-3]?；炷两Y構的耐久性能，是指結構在其設計使用年限內，既能抵抗外部環(huán)境的侵蝕，又能阻止內部破壞的能力。許多正在服役的公路橋梁，逐漸出現(xiàn)了混凝土老化、結構開裂、鋼筋銹蝕等病害和問題，導致鋼筋混凝土橋梁未達設計使用年限，因出現(xiàn)一系列病害而導致結構不能正常使用[4-5]。造成這些病害的原因很多，有來自外部機動車超載，也有結構自身設計缺陷等。這些內部的病害和缺陷，都和橋梁結構的耐久性能不足有直接的關系；如何提高結構的耐久性能，已成為相關領域研究的熱點之一[6-8]。本文從影響預應力混凝土簡支梁橋的耐久性能因素中，選取3個因素(初始預應力、室溫循環(huán)下混凝土強度、凍融循環(huán)下混凝土強度)，運用有限元單元法對預應力混凝土簡支梁橋的承載力進行分析，旨在為多因素耦合研究預應力混凝土簡支梁橋的耐久性能提供參考。

1 試驗設計

影響預應力混凝土結構耐久性的因素很多，主要有混凝土、普通鋼筋、預應力鋼絞線、錨具等[5]，本文主要考查3個因素(初始預應力、室溫循環(huán)下混凝土強度、凍融循環(huán)下混凝土強度)對預應力混凝土結構耐久性的影響。

試驗共制作11片試驗梁，尺寸為200 mm×250 mm×3 000 mm，混凝土為C40，鋼絞線采用7根(直徑15.24 mm)的低松弛1860級鋼絞線，普通鋼筋采用直徑為12 mm的主筋和直徑為8 mm的箍筋，具體尺寸和布筋位置如圖1所示。

圖1 簡支梁尺寸和布筋位置示意圖

本文同時制備了C30、C40、C50三種等級的混凝土試塊，為標準正方體和非標準棱柱體的混凝土試塊(見表1)。

2 結果與分析

2.1 不同初始預應力對簡支梁跨中撓度的影響

在試驗前對6片梁(編號為LX1、LX2、LX3、LX4、LX5、LX6)鋼絞線應力值進行檢測，通過傳感器的數(shù)據(jù)計算得到各片梁鋼絞線的有效應力分別為1 334、1 267、1 196、1 141、1 056、979 MPa，對應約為0.72fpk、0.68fpk、0.64fpk、0.61fpk、0.57fpk、0.53fpk(fpk=1 860 MPa)，張拉力分別為186.76、177.38、167.44、159.74、147.84、137.06 kN。

通過有限元軟件建立6片預應力簡支梁的數(shù)值模型，C40混凝土梁尺寸為200 mm×250 mm×3 000 mm，鋼絞線采用直徑為15.24 mm的低松弛1860級鋼絞線。建立ANSYS模型(見圖2)。

表1 混凝土試塊規(guī)格及數(shù)量

圖2 預應力簡支梁網(wǎng)格劃分模型

在建立的有限元模型中，在簡支梁的跨中分別施加10、20 kN的集中荷載，求得簡支梁的撓度、鋼絞線的有效預應力、跨中處混凝土的應力(見表2)。從表2中可以得出，對于不同初始預應力的簡支梁，鋼絞線初始應力越大，簡支梁的撓度理論值越大。對于同一個簡支梁，隨著集中荷載的增大，撓度值越來越小。

表2 預應力簡支梁的跨中撓度理論值

與普通鋼筋混凝土梁相比，預應力混凝土梁對鋼絞線應力的變化更為關注。由表3可見，鋼絞線的應力值隨初始預應力的降低而不斷減小，且呈現(xiàn)出一定的線性關系。

表3 預應力簡支梁的鋼絞線應力值

2.2 室溫環(huán)境對混凝土強度的影響

到目前為止，有關混凝土強度的研究已經(jīng)有很多數(shù)學模型。根據(jù)模型中的混凝土強度函數(shù)公式，本文在室溫環(huán)境下，選取0、5、10、20、50、100 a，分別求得混凝土的強度時間系數(shù)，計算出各個時間點的混凝土抗壓強度和對應的彈性模量(見表4)。按照表4參數(shù)進行建模，在無外荷載作用時預應力簡支梁變形如圖3所示。

表4 預應力簡支梁混凝土強度試驗結果

圖3 自然狀態(tài)下預應力簡支梁LZ6變形圖

在建立的有限元模型中，分別在跨中施加10、20kN的集中荷載，求得跨中處混凝土應力(見表5)。

表5 不同荷載作用下簡支梁的跨中梁底混凝土應力值

通過表5的試驗結果和每片梁混凝土彈性模量的數(shù)據(jù)進行計算后，可得簡支梁的跨中梁底混凝土應變理論值(見表6)。從表6可看出，只考慮混凝土時變強度時，隨著使用時間的遞增，簡支梁梁底跨中混凝土應變呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

表6 不同荷載作用下簡支梁的跨中梁底混凝土應變值

2.3 凍融循環(huán)對混凝土強度的影響

本文制備C40混凝土，測定不同次數(shù)凍融循環(huán)下混凝土抗壓強度的變化(見表7)。采用有限元程序建立4片預應力混凝土簡支梁，鋼絞線采用直徑為15.24 mm的低松弛1860級鋼絞線，其初始預應力為1 302 MPa，經(jīng)計算可得到對應的張拉力為182.28 kN。選取在0、50、100、150次的凍融循環(huán)下的混凝土建立有限元模型，尺寸為200 mm×250 mm×3 000 mm。簡支梁的建模參數(shù)見表8。

表7 凍融循環(huán)下混凝土的抗壓強度

表8 簡支梁的建模相關參數(shù)

在圖3中建立的有限單元模型中，分別在跨中處施加10、20 kN的集中荷載，求得在兩種不同集中荷載作用下簡支梁的跨中處混凝土應力(見表9)。由表9可看出，在不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用下，簡支梁跨中梁底混凝土應力值的變化并不大。但隨著荷載的增大，簡支梁跨中混凝土應力值逐漸增大，說明與凍融循環(huán)相比，預應力混凝土所受的外界荷載值更能夠對跨中梁底的應力值產(chǎn)生影響。

表9 不同荷載作用下簡支梁的跨中梁底混凝土應力值

由表10可見，在不同荷載作用下簡支梁的跨中梁底混凝土應變變化相對較大。隨著荷載的增大，同一凍融循環(huán)作用下的跨中梁底混凝土的應變逐漸減小。當荷載為0時，LM4跨中梁底混凝土的應變是LM1跨中梁底混凝土的應變的1.216倍，混凝土的應變值隨著凍融次數(shù)的增大而變大。說明由于凍融循環(huán)造成的混凝土等級降低，對預應力混凝土簡支梁跨中梁底混凝土的承載力影響顯著。

表10 不同荷載作用下簡支梁的跨中梁底混凝土應變值

3 結論

當考慮鋼絞線不同的初始預應力對預應力混凝土簡支梁承載力的影響時，初始預應力越大，簡支梁的撓度也越大。每一片梁的撓度變化值都不是相等的，鋼絞線的有效預應力越大，撓度的變化最大值越小。

在室溫環(huán)境下，隨著使用時間的遞增，簡支梁梁底跨中混凝土應變呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。相比之下，在凍融循環(huán)作用下混凝土強度的變化對承載力的影響大很多，主要體現(xiàn)在對跨中撓度的影響和簡支梁的跨中梁底混凝土應力值的影響上。

在凍融循環(huán)下，隨著荷載的增大，同一凍融循環(huán)作用下的跨中梁底混凝土的應變逐漸減小，混凝土的應變值隨著凍融次數(shù)的增大而變大。說明由于凍融循環(huán)造成的混凝土等級降低，對預應力混凝土簡支梁跨中梁底混凝土的承載力影響顯著。

[1] 劉齡嘉，賀拴海，趙小星.在役混凝土簡支梁有效預應力計算[J].交通運輸工程學報，2005，5(3)：47-51.

[2] Naaman A E. Prestressed concrete analysis and design： fundamentals[M]. New York： McGraw-Hill，1982.

[3] Saiidi M， Douglas B， Feng S. Prestress force effect on vibration frequency of concrete bridges[J]. Journal of Structural Engineering，1994，120(7)：2233-2241.

[4] Sun W， Zhang Y M， Yan H D， et al. Damage and damage resistance of high strength concrete under the action of load and freeze-thaw cycles[J]. Cement and Concrete Research，1999，29(9)：1519-1523.

[5] Sun W， Mu R， Luo X， et al. Effect of chloride salt, freeze-thaw cycling and externally applied load on the performance of the concrete[J]. Cement and Concrete Research，2002，32(12)：1859-1864.

[6] Mu R， Miao C W， Luo X， et al. Interaction between loading, freeze-thaw cycles, and chloride salt attack of concrete with and without steel fiber reinforcement[J]. Cement and Concrete Research，2002，32(7)：1061-1066.

[7] Jacobsen S， Gran H C， Sellevold E J， et al. High strength concrete-Freeze/thaw testing and cracking[J]. Cement and Concrete Research，1995，25(8)：1775-1780.

[8] 范立礎.橋梁工程安全性與耐久性：展望設計理念進展[J].上海公路，2004(1)：1-8.

Single-factor Analysis on Capacity of PC Simply Supported Beam Bridge after Durability Degradation/

Ren Zhongxin, Yu Xiaokun, Su Yikun

(Northeast Forestry of University, Harbin 150040, P. R. China);

Bai Lang

(Harbin Institute of Technology)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-109～111

We chose three key factors (initial pre-stress, strength of concrete at the room temperature and freeze-thaw cycles) affecting the durability of concrete to analyze the capacity of prestressed concrete simply supported beam bridge by the finite element methods. The deflection of simply supported beam has the same variation with the initial pre-stress, and the effective prestress of strand has the opposite change with the max value of deflection. At the room temperature, the strain of concrete at the mid-span of the bridge decreases first, and then increases. In the freeze-thaw cycles, with increasing of the load, the strain decreases gradually. The strain increases with number increase of freeze-thaw cycles.

Prestressed concrete; Simply supported beam bridge; Capacity structure; Single-factor analysis

1) “十二五”國家科技支撐項目(2012BAJ19B00)。

任重昕，女，1977年9月生，東北林業(yè)大學土木工程學院，工程師。E-mail:renfish2002@ yeah.net。

U446； U441

收到日期：2013年12月31日。

責任編輯：張 玉。