張超群

摘要：為了研究箱梁配筋率對體外預應力加固效果的影響，本文建立了6根體外預應力加固箱梁的空間有限元模型。對比研究了配筋率對模型梁跨中截面在預應力作用下彎矩、位移、應力的影響規(guī)律。試驗結果表明：隨著非預應力筋配筋面積的增加，梁體的彎矩變化1.3%，位移和截面應力分別變化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。

關鍵詞：體外預應力；配筋率；承栽力

中圖分類號：U445.72文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2017）02-0063-02

前言

20世紀90年代以來，我國交通事業(yè)發(fā)展迅速，橋梁結構進入一個全面發(fā)展的階段。但由于各種原因，如設計規(guī)范標準過低、車輛超限超載、施工質(zhì)量不嚴、鋼筋銹蝕等原因，許多橋梁在運營一段時間后就出現(xiàn)了不同程度的病害，如結構老化、破損，梁體跨中下?lián)希拱寤炷亮芽p，底板混凝土開裂等，從而導致結構承載力下降，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，必須對其進行加固。體外預應力加固橋梁能夠有效的恢復橋梁的工作性能。

影響體外預應力加固橋梁工作性能的因素很多，主要有鋼筋配筋率、體外預應力筋面積、跨高比、體外索布置形式等。近幾十年來，國內(nèi)外研究者針對梁的彎曲性能進行了大量的試驗研究，為人們增進對體外預應力混凝土梁的了解作出了巨大貢獻，目前各國規(guī)范使用的體外預應力筋極限應力增量公式都是在這些試驗研究基礎建立起來的。然而限于實驗條件，絕大部分試驗梁為跨長5m左右的矩形簡支或者連續(xù)梁，這與實際工程中的預應力梁存在較大差別，并且試驗過程本身不可避免會存在各種原因引起的誤差。采用數(shù)值分析方法來模擬梁的彎曲性能則能有效克服試驗研究的缺陷與不足。

1.用于參數(shù)研究的體外預應力箱梁概況

本文以非預應力筋面積As為研究對象，主要研究配筋率對體外預應力加固箱梁的彎曲性能的影響。本文設計了如圖1-1所示的箱梁模型，全橋長3×30m，體外預應力束的束型采用三折線型布束方式，中跨三分點處設置兩道橫隔板式轉(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，故在支座處采用實腹式截面，具體構造見圖1-2，圖1-3。截面上部配有面積As=152em²的受壓區(qū)構造非預應力筋，到梁頂距離a=45mm。d=15.2mm鋼絞線，公稱面積139mm²，標準強度fnk=1860Mpa，彈性模量E.=1.95×10⁵Mpa。普通鋼筋：HRB235、HRB335鋼筋標準應符合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，鋼板應符合GB700-88規(guī)定的Q235鋼板。錨具：預應力錨具采用符合國際后張法預應力混凝土協(xié)會FIP標準的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)，本文設計了6個系列的體外預應力加固箱梁模型，各系列的梁及其具體參數(shù)值匯總于表1-1。

2.非預應力筋配筋率對梁彎曲性能的影響

以受拉區(qū)非預應力筋面積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，應力σ的值列于表1-2。

從表中可以看出，隨著非預應力鋼筋配筋率的增加，預應力在跨中截面產(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%。這是因為非預應力筋面積增加，梁的剛度增大，預應力筋在初始預應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應力鋼束的損失，但是效果不是很明顯。

圖1-4給出了預應力荷載作用下含有不同As梁的邊跨跨中位移曲線。在預應力荷載作用下，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系，但是配筋率對截面的反拱影響是明顯的，L1和L6的反拱差值可達到21.3%。另外，二次效應是影響體外預應力加固效果的一個重要因素，梁體在預應力作用下產(chǎn)生較大的反拱值，當梁體在正常試用階段必然也會產(chǎn)生較大的撓度，由于撓度過大引起的二次效應將會對加固效果產(chǎn)生極為不利的影響。

含有不同As的箱梁在預應力荷載作用下的中跨跨中頂板應力曲線以及底板應力曲線分別如圖1-5、圖1-6所示。如圖1-5所示，當箱梁頂板配置一定量的非預應力受拉鋼筋，頂板混凝土產(chǎn)生分布比較均勻拉應力，L1拉應力為489.2kN/m²，L2-L6拉應力有一定程度的減少，L6拉應力為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，說明頂板配置一定數(shù)量的非預應力受力鋼筋，可以有效分布預應力產(chǎn)生的拉應力，減少頂板厚度，減輕結構自重。如圖1-6所示，箱梁底板在預應力荷載作用下產(chǎn)生與頂板作用力相反的壓應力，壓應力隨著非預應力鋼筋的配筋率的變化而變化且變化值非常明顯，隨著非預應力筋配筋面積的增大，底板混凝土的壓應力逐步減少，受拉區(qū)不配筋梁體L1受到的壓應力為699.9kN/m²，14受拉區(qū)非預應力筋配筋率是按我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》規(guī)定配置，L4受到的壓應力為618.5kN/m²，梁體IJ6受到的壓應力為512.5kN/m²，應力差為187.4kN/m²，變化幅度為36.6%。配置非預應力鋼筋較多的L6梁體，受到最大的跨中彎矩2353.4kNom，產(chǎn)生最小的梁頂拉應力445.3kN/m²和梁底壓應力512.5k/m²，說明了非預應力鋼筋可以提高梁體的剛度，使梁體截面受力更加合理，顯著的改善體外預應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)結構性裂縫之前，增加配筋率可以減少預應力損失，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構剛度。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；增大非預應力鋼筋的配筋率可以提高梁體的剛度，破壞時梁體產(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)是預應力鋼筋、非預應力鋼筋以及受壓區(qū)混凝土達到平衡狀態(tài)，這也說明配筋率可以提高預應力筋的極限荷載增量。但是，隨著非預應力配筋率的增大，梁體的剛度增大，預應力筋極限荷載增量變大，梁的塑性降低。裂縫出現(xiàn)時間推遲，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，體外預應力加固應當根據(jù)原結構的配筋率進行設計加固。

3.結論

3.1非預應力筋面積增加，預應力鋼束彈性回縮損失值減少。

3.2預應力鋼束的應變與截面混凝土應變相關，提高配筋率可以改善截面彎曲性能，從而提高體外預應力加固梁體的極限抗彎強度。

3.3非預應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)生較少的拉應力和壓應力，從而對裂縫的分布和開展起到有利的作用。

3.4體外預應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，但可能蘊藏著潛在的危險，舊橋提載須謹慎。