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        預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁溫度效應(yīng)試驗

        2011-09-27 08:51:06余佳玉
        關(guān)鍵詞:工字溫差撓度

        向 南,余佳玉

        (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,中國 重慶 400074)

        隨著預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋跨度的增大,主梁長期下?lián)铣迒栴}也日益突出。研究表明,影響預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋下?lián)系闹饕蛩赜?預(yù)應(yīng)力損失、裂縫作用、運營超載等,近年來。日照溫差的影響也受到人們的關(guān)注[1]。事實上,結(jié)構(gòu)暴露在大氣中,將受到外界各種溫度的影響,其中,日照溫差的影響較為嚴(yán)重,這是因為混凝土材料導(dǎo)熱性能差,日照溫差使結(jié)構(gòu)內(nèi)外表溫度不一致,內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度變形[2]。箱形截面具有良好的結(jié)構(gòu)性能,在大跨徑橋梁截面形式中廣泛應(yīng)用,筆者主要通過試驗了解箱形截面梁在溫度效應(yīng)下變形特性,即通過人工控溫的方法對箱梁進行反復(fù)作用,分析日照溫差對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)變形的影響。

        1 模型設(shè)計

        1.1 箱梁模型設(shè)計

        箱梁計算跨徑5.96 m,頂板寬2.4 m,底板寬1 m,高0.8 m,翼緣板端部5 cm,其余板厚為8 cm。模型澆筑先底板后腹板及頂板,經(jīng)30天養(yǎng)護后張拉預(yù)應(yīng)力;模型澆注時間相同,均為一次澆筑完成。2組模型的混凝土強度等級均為C50,配筋縱向均為HRB335 級,箍筋為 R235 級[3]。

        1.2 試驗對照用工字梁模型設(shè)計

        為了避免因箱梁自重、混凝土收縮徐變等引起的撓度對因溫度作用產(chǎn)生的撓度識別的影響,試驗中采用在工字梁(平置)模型側(cè)面加溫的方式進行對照試驗。工字梁A、B尺寸一致,計算跨徑3 m,頂?shù)装鍖?0 cm,厚8 cm,腹板厚8 cm,梁高 30 cm[3]。

        2 模型材料

        2.1 原材料

        由于箱梁模型的厚度均較小,因此,混凝土配合比設(shè)計考慮了粗骨料最大粒徑及混凝土和易性等因素,具體詳見表1。

        表1 混凝土配合比Table 1 The mix proportion of concrete

        2.2 混凝土力學(xué)指標(biāo)

        分別于張拉預(yù)應(yīng)力前,測定其力學(xué)性能,其結(jié)果列入表2中。鋼筋的實測強度為:Φ12縱筋抗拉屈服強度為360 MPa,極限抗拉強度為534 MPa;Φ16縱筋抗拉屈服強度為348 MPa,極限抗拉強度為523 MPa;Φ8縱筋抗拉屈服強度為228 MPa,極限抗拉強度為376 MPa。

        表2 混凝土力學(xué)指標(biāo)Table 2 The mechanial index of concrete /MPa

        3 箱梁與工字梁反復(fù)溫度效應(yīng)試驗

        3.1 試驗裝置

        箱梁實驗裝置如圖1。

        圖1 箱梁試驗裝置照片F(xiàn)ig.1 The test device of box girder

        工字梁試驗裝置如圖2。

        圖2 工字梁試驗裝置照片F(xiàn)ig.2 The test device of box girder

        3.2 試驗方法

        試驗分為兩組,一組為混凝土箱梁,另一組為混凝土工字梁A、B。為了減少實驗誤差,2組試驗的模型均放在同一個試驗室里進行,使模型所處的環(huán)境,包括空氣濕度、溫度、光照等均相同。為達到排除重力影響的效果,把兩片工字梁翻轉(zhuǎn)90°放置,側(cè)向作用于工字梁。

        3.3 箱梁溫度重復(fù)荷載試驗

        1)試驗前,在箱梁預(yù)先設(shè)定的控制截面A-A(跨中)、B-B(1/4跨)上布置相應(yīng)的鋼筋計,表貼式應(yīng)變計,熱敏電阻等測點。并對模型進行試升溫以確定每次循環(huán)升、降溫時間。

        2)采用多點光源(碘鎢燈)配合自控開關(guān)模擬日照溫度荷載對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進行升溫。

        3)反復(fù)溫度荷載對箱梁作用7天,每天重復(fù)作用8 次,每次升溫 0.5 h,降溫 2.5 h。

        4)施加溫度荷載前需測定并記錄好箱梁截面應(yīng)變及撓度初值。定期測量模型的應(yīng)變和線型,需提前24 h關(guān)閉電源,使模型自然降溫至室溫而后進行測量。

        3.4 工字梁溫度重復(fù)荷載試驗

        1)試驗前,在工字梁預(yù)先設(shè)定的控制截面I-I(跨中)、II-II(1/4跨)上布置貼式應(yīng)變計,熱敏電阻等測點。并對模型進行試升溫以確定每次循環(huán)升、降溫時間。

        2)工字梁只對A梁采用多點光源(碘鎢燈)照射混凝土的方法模擬施加溫度荷載,B梁不施加任何荷載。

        3)反復(fù)溫度荷載對工字梁作用3天,每天重復(fù)作用8 次,每次升溫0.5 h,降溫2.5 h。

        4)定期測量模型的應(yīng)變和線型,需提前24 h關(guān)閉電源,使模型自然降溫至室溫而后進行測量。

        3.5 試驗結(jié)果整理

        預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁撓度變化如表3。表中正值表示梁體下?lián)?,負值表示梁體上撓。

        表3 箱梁撓度變化情況及撓度曲線Table 3 The deflection changes and deflection curve of box girder

        根據(jù)表3中箱梁跨中截面及1/4截面撓度隨時間變化的數(shù)據(jù),可繪制其撓度隨時間變化曲線,如圖3。

        混凝土工字梁A的撓度變化如表4,梁B的撓度變化情況如表5,撓度正值表示梁體順著溫度荷載作用方向撓,負值表示梁體向反方向撓。

        根據(jù)表中A、B工字梁跨中截面及1/4截面撓度隨時間變化的數(shù)據(jù),可繪制其撓度隨時間變化曲線,如圖 4、圖 5。

        圖3 箱梁撓度變化曲線Fig.3 The deflction changes of box girder

        表4 A梁撓度變化Table 4 The deflection changes of beam A

        表5 B梁撓度變化Table 5 The deflction changes of beam B

        由實測數(shù)據(jù)擬合的箱梁頂?shù)装錋-A(跨中)截面、工字梁A、B應(yīng)變差值變化曲線分別如圖6~圖8。

        圖6 箱梁A-A截面頂、底板應(yīng)變變化曲線Fig.6 The diagram of strain change on the top and bottom of the cross-section of box girder A-A

        3.6 試驗結(jié)果分析

        3.6.1 箱梁與工字梁撓度變化比較

        從分析可知:

        1)隨著作用時間的增加,箱梁和工字梁A的控制截面變形均逐漸增大,跨中截面的變化均為最明顯,箱梁下?lián)献畲笾道塾嬤_0.6013 mm;工字梁A側(cè)移最大值累計達0.716 mm。

        2)在溫差作用最初,變形增幅較大。隨后的月份由于室溫隨之升高,梁體受到周圍高溫的影響,撓度增幅減緩。進入秋季以后,隨著室溫的逐漸降低,梁撓度又開始快速增加。此變化規(guī)律箱梁與工字梁A大致相同。

        3)常溫下的工字梁B,由于沒有受到任何形式的外力以及反復(fù)溫差的影響,因此側(cè)向撓度變化非常微小,并且沒有規(guī)律。

        4)由于溫差長期作用,頂板受到溫度的直接作用因而應(yīng)變變化較快,而不受直接作用的底板應(yīng)變變化相對較慢,使頂?shù)装逯g產(chǎn)生了較大的應(yīng)變差,即產(chǎn)生了非均勻變形,這種收縮變形的差異將導(dǎo)致主梁曲率長期的增加,從而導(dǎo)致了箱梁下?lián)希?]。同樣,工字梁A靠近溫差一側(cè)的翼板應(yīng)變較遠離光源一側(cè)的翼板增大得快,兩側(cè)應(yīng)變差值的增加,導(dǎo)致了工字梁的側(cè)向撓度。放置于室溫下的工字梁B兩側(cè)應(yīng)變差值沒有明顯的變化。

        3.6.2 有限元模型仿真分析的計算值與實測值的對比分析

        1)由有限元模型分析得出的箱梁撓度分布圖及撓度變化曲線可知,隨著溫差重復(fù)作用次數(shù)的增加,箱梁截面撓度不斷增大,其中,A-A截面變化最明顯,跨中截面撓度最大達到0.722 mm,與實測數(shù)據(jù)0.6013 mm相差不大。

        2)由有限元模型分析得出的箱梁應(yīng)變分布圖及應(yīng)變變化曲線可知,隨溫差反復(fù)作用箱梁頂?shù)装鍛?yīng)變持續(xù)增長,但頂板應(yīng)變較底板增長得快,由于該應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變,可知頂板均處于收縮狀態(tài)。

        3)由有限元模型仿真分析的計算值與實測值的對比分析可以看出:不同溫差重復(fù)作用時間下,箱梁截面撓度的計算值與實測值雖有一定差異,但基本趨勢一致。亦證實了頂?shù)装宓姆蔷鶆蚴湛s是導(dǎo)致箱梁下?lián)系脑颉?/p>

        4 結(jié)語

        綜上所述,在人工控溫模擬日照溫差的試驗中,預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁與工字梁A在反復(fù)溫差荷載的作用下,均發(fā)生大變形。結(jié)構(gòu)近光源端產(chǎn)生的應(yīng)變遠大于遠端,從而便產(chǎn)生了較大的應(yīng)變差,即非均勻變形,并導(dǎo)致主梁曲率增加與變形。由于進行對比試驗的工字梁B未受到溫差荷載的作用,其變形變化和應(yīng)變變化微小??傊?,在日照溫差的重復(fù)作用下,預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁會產(chǎn)生下?lián)希瑧?yīng)在橋梁設(shè)計中加以考慮。

        [1]王國亮,鄭曉華.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋長期下?lián)蠁栴}的研究現(xiàn)狀[J].公路交通科技,2007,1(1):47 -50.WANG Guo-liang,ZHENG Xiao-hua.State of art of long-term deflection for long span prestressed concrete box-girder bridge[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2007,1(1):47 -50.

        [2]盛洪飛.混凝土箱形截面橋梁日照溫度應(yīng)力簡化計算[J].哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報,1992,25(1):32-39.SHENG Hong-fei.Simplified calculation of sunsline temperature stess of concrete box-section bridge[J].Journal of Harbin Institure of Architectural Engineering,1992,25(1):32 -39.

        [3]余佳玉.重復(fù)溫度荷載對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的影響研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011.

        [4]范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京.人民交通出版社,1988.

        [5]王效通.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁溫度場計算的有限元法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,1985(3):52-62.WANG Xiao-tong.Temperature filed calculation of presturessed concrete box gider by finite ekement method[J].Journal of Southwest Jiaotong University,1985(3):52-62.

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