鋼筋混凝土簡支橋面梁受彎剛度的試驗研究

鋼筋混凝土簡支橋面梁受彎剛度的試驗研究

由于車輛負(fù)荷和各種物理和化學(xué)的影響，北京的許多采用鋼筋混凝土（rc）的簡單支臂橋發(fā)生不同程度的耐用性損傷，這不僅降低了卡車的承載量，而且降低了剛度，影響了橋梁的適用性。耐久性損傷對受彎構(gòu)件剛度影響的研究很少。本文用鋼筋粘結(jié)系數(shù)來考慮鋼筋和混凝土之間共同工作性能降低對受彎剛度的影響,提出了受損簡支橋面梁受彎剛度的估算方法。試驗結(jié)果驗證了本文的方法。1截面剛度與受拉鋼筋應(yīng)力根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10-89),普通配筋矩形截面的RC受彎構(gòu)件在荷載短期效應(yīng)組合作用下的短期剛度Bs按下式計算:Bs=EsAsh201.15ψ+0.2+6αEρ(1)Bs=EsAsh021.15ψ+0.2+6αEρ(1)式中αE——鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值;ρ——縱向受拉鋼筋配筋率,ρ=Asbh0;ρ=Asbh0;ψ——裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù),按式(2)計算:ψ=1.1?0.65ftkρteσss(2)ψ=1.1-0.65ftkρteσss(2)式中ρte——以有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率,ρte=As0.5bh;ρte=As0.5bh;σss——梁的縱向受拉鋼筋應(yīng)力,σss=Ms0.87h0Asσss=Μs0.87h0As。由上式,截面剛度Bs與截面彎矩Ms及受拉鋼筋面積As有關(guān)。因此,通常RC梁的截面剛度沿梁長是變化的。變剛度梁的變形計算比較復(fù)雜,為了實(shí)用上的方便,簡支梁可取最大彎矩Mmax截面對應(yīng)的最小剛度Bsmin進(jìn)行計算,這樣簡化帶來的誤差不大。若簡支梁在三分點(diǎn)作用集中力,不計自重影響,梁跨中撓度Δ和梁跨中純彎段彎矩M之間的關(guān)系如式(3)。此時,梁截面剛度和受彎剛度成正比,梁截面剛度的變化直接反映了梁受彎剛度的變化。Δ=23Ml2216Bsmin(3)Δ=23Μl2216Bsmin(3)2鋼筋粘結(jié)系數(shù)e在用RC簡支橋面梁的截面受彎剛度也可用式(1)計算,但應(yīng)考慮鋼筋因銹蝕引起截面面積損失、材性變化以及鋼筋與混凝土之間共同工作性能降低的影響。鋼筋面積采用銹后實(shí)際值;混凝土強(qiáng)度采用實(shí)測值;假設(shè)鋼筋銹蝕前后材性保持不變。用鋼筋粘結(jié)系數(shù)βE考慮鋼筋與混凝土之間共同工作性能的降低。鋼筋粘結(jié)系數(shù)βE反映鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)狀況:βE=1為粘結(jié)完好;βE=0為粘結(jié)完全喪失,二者之間僅有梁端的錨固作用,鋼筋成為拉桿;0<βE<1為粘結(jié)作用介于上述兩種情況之間。鋼筋粘結(jié)系數(shù)βE的取值根據(jù)計算截面各鋼筋所對應(yīng)的混凝土保護(hù)層的破損狀態(tài)確定,如表1。截面全部受拉鋼筋βE的平均值為βˉβˉE,作為估算,用βˉβˉE反映鋼筋和混凝土粘結(jié)作用降低對簡支梁截面剛度的影響。由于鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用降低,受拉鋼筋的應(yīng)變趨于均勻,使裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ增大。記鋼筋粘結(jié)系數(shù)βˉβˉE對應(yīng)的破損狀態(tài)下的鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)為ψˉˉψˉE。如圖1,當(dāng)βˉE=1βˉE=1時,ψˉˉE=ψ(ψψˉE=ψ(ψ為完好梁的鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù),用式(2)計算);當(dāng)βˉE=0βˉE=0時,ψˉˉE=1ψˉE=1;當(dāng)0<βˉE<10<βˉE<1時,ψˉˉψˉE按式(4)線性插值:ψˉˉE=1?βˉE(1?ψ)(4)ψˉE=1-βˉE(1-ψ)(4)3損傷梁剛度根據(jù)上述分析,確定危險截面(可取構(gòu)件彎矩較大范圍內(nèi)損傷最為嚴(yán)重的截面)后,可按下述方法估算損傷的在用鋼筋混凝土簡支橋面梁的實(shí)際截面剛度:(1)實(shí)測梁的截面尺寸、混凝土強(qiáng)度(換算為軸心抗壓強(qiáng)度,取平均值)、鋼筋強(qiáng)度和鋼筋銹后截面面積(鋼筋取樣有困難時可近似取鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,保護(hù)層完好的鋼筋截面面積可近似取公稱直徑計算);(2)根據(jù)混凝土保護(hù)層的損傷情況,確定各鋼筋粘結(jié)系數(shù)βE,取均值得到梁的平均鋼筋粘結(jié)系數(shù)βˉEβˉE,按式(4)計算ψˉˉψˉE;(3)用式(1)計算簡支梁實(shí)際截面剛度BEs,鋼筋的應(yīng)變不均勻系數(shù)采用ψˉˉψˉE。由上述方法得到的簡支梁的截面剛度稱為估算值。若以《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023-85)(簡稱為“橋涵設(shè)計規(guī)范”,下同)的截面剛度計算公式為基礎(chǔ),則損傷梁剛度估算如下:(1)實(shí)測梁的截面尺寸、混凝土強(qiáng)度(換算為軸心抗壓強(qiáng)度)和鋼筋銹后截面面積;(2)取截面尺寸、混凝土強(qiáng)度實(shí)測值,取鋼筋面積設(shè)計值,用式(1)計算完好梁的截面剛度B0s;(3)用式(1)計算損傷梁的截面剛度BEs估算值;(4)計算剛度比n=BEs/B0s,它反映了鋼筋面積減小和鋼筋與混凝土的粘結(jié)損傷對梁剛度的影響;(5)取截面尺寸和混凝土強(qiáng)度實(shí)測值,取鋼筋面積設(shè)計值,用《橋涵設(shè)計規(guī)范》方法計算完好梁截面剛度Bsq;(6)用n和Bsq,得到損傷梁的截面剛度BEsqsqE=nBsq。由上述方法得到的梁截面剛度稱為鑒定值。如果混凝土沒有損傷,可取其設(shè)計值進(jìn)行計算;鋼筋面積對梁截面剛度的影響不敏感,當(dāng)鋼筋面積損失較小時,也可取設(shè)計值進(jìn)行計算。式(1)為普通配筋矩形截面梁的短期剛度計算公式,式(3)為三分點(diǎn)加載條件下梁跨中撓度的計算公式。對其它截面和荷載形式普通配筋的在用簡支橋面梁,可類似地計算其截面剛度的估算值和鑒定值。4鋼筋粘結(jié)系數(shù)m-曲線試驗采用從馬家堡橋拆下的使用了33年的3根板梁(L1、L2和L3)作為試件。試件的截面、配筋、損傷情況、材性及試驗結(jié)果等參見文獻(xiàn)。參考表1,根據(jù)3根板梁的損傷狀況,確定跨中截面各粘結(jié)受損鋼筋的粘結(jié)系數(shù)βE如下:L1:A、B和B、C交角處鋼筋分別取為0.8和0.6?βˉE=0.950.6?βˉE=0.95;L2:A、B交角處的3根鋼筋分別取為0.2、0.4和0.6,B、C交角處的鋼筋取為0.6?βˉE=0.820.6?βˉE=0.82;L3:A、B交角處的4根鋼筋分別取為0、0.4、0.6和0.8,B、C交角處的3根鋼筋分別取為0、0.2和0.6?βˉE=0.630.6?βˉE=0.63?；炷翉?qiáng)度和鋼筋面積取實(shí)際值,鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψˉˉψˉE用式(4)計算。用式(3)計算跨中截面的M-Δ曲線,計算曲線與試驗曲線的比較如圖2所示。由圖2可見:估算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,說明用鋼筋粘結(jié)系數(shù)反映鋼筋、混凝土之間粘結(jié)損傷對梁受彎剛度的影響是可行的,鋼筋粘結(jié)系數(shù)的數(shù)值也較合理。根據(jù)“橋涵設(shè)計規(guī)范”,梁式橋主梁跨中的允許撓度為計算跨徑L的1/600。因此,本文試驗的板梁的跨中允許撓度為10.5mm。表2列出了當(dāng)跨中撓度達(dá)到允許撓度時板梁跨中彎矩的估算值和試