預應力RPC箱梁抗彎性能試驗研究

劉 明,趙 敏,管東銀

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)是20世紀90年代初由法國研制的一種超高性能混凝土UHPC(Ultra High Performance Concrete),具有強度高、韌性大、收縮徐變小和耐久性能優異等特點[1]。RPC具有超高的力學性能和耐久性能,用其替代普通混凝土,可有效減小橋梁結構尺寸、降低自重,優化結構設計,延長橋梁使用壽命。目前,RPC已逐漸應用到工程實例中,包括橋梁主梁、橋面板、拱圈及舊橋加固等方面[2]。RPC良好的力學性能及箱梁優異的空間受力性能非常適用于大跨徑橋梁,有良好的應用前景,相關研究也已開展[3-6]。

國內外對RPC梁的受彎性能進行了大量的試驗研究和理論分析。萬見明等[7]采用等效原則法,確定正截面抵抗矩塑性影響系數,建議矩形截面取1.65,T形截面取1.90。楊劍等[8]對預應力RPC混凝土T梁進行了試驗研究,推導了RPC梁的塑性系數γ=1.53,極限承載力考慮拉區RPC貢獻,取抗拉強度fft=0.5ft。鄭文忠等[9]通過對6根鋼筋RPC矩形截面梁進行抗彎試驗,提出考慮拉區RPC貢獻的承載力計算公式,取0.25倍抗拉強度,并提出使用階段變形及裂縫寬度的計算方法。徐海賓等[10-11]通過對UHPC預應力T梁進行抗彎試驗,在規范公式的基礎上,引入抗裂影響系數βcr=0.35并提出開裂彎矩計算公式;引入裂縫修正系數βfw=0.35并提出最大裂縫寬度計算公式;引入受拉區抗拉作用影響系數βfw=0.7并提出受彎承載力計算公式。方志等[12]對預應力RPC箱梁進行試驗,采用《纖維混凝土結構技術規程》(CECS 38:2004)計算正常使用階段的裂縫寬度及短期剛度,鋼纖維影響系數取0.4和0.2。李立峰等[13]對一片大比例UHPC預應力T梁進行抗彎試驗,建議開裂彎矩塑性影響系數取為1;承載力計算時拉區UHPC貢獻較小,建議抗拉強度fft=0.238ft;編制了UHPC預應力T梁全過程非線性分析程序。彭飛等[14]對鋼筋UHPC梁抗彎承載力計算方法進行系統研究,提出了截面受拉區UHPC的均勻分布應力折減系數k的計算公式。

基于現有研究成果,本文設計并制作2片預應力RPC箱梁進行抗彎試驗,研究預應力RPC箱梁的抗彎性能及頂板橫向預應力對其性能的影響,并編制非線性分析程序,對全過程受力進行分析。

1 試驗概況

1.1 試件制作

本試驗設計并制作2片截面尺寸相同的預應力RPC箱梁,編號分別為A1和A2,計算跨徑為4 760 mm,截面尺寸如圖1所示。預應力筋采用6-φ15.2 mm,普通鋼筋為HRB400。梁A2跨中頂板布置橫向預應力筋(直徑為16 mm的絲桿),探究橫向預應力對試驗梁抗彎性能的影響。普通鋼筋及預應力筋的力學性能如表1所示。

表1 試驗梁鋼筋力學性能表

(a)跨中 (b)端部

試驗所用RPC為購置的成品RPC干混料加水拌制而成,其中水泥∶石英砂∶硅灰∶減水劑=1.0∶1.4∶0.25∶0.072,鋼纖維體積摻量為2%,水膠比為0.2[15]。澆筑完成后,采用自然養護。澆筑時預留試塊進行材性試驗,50 d后張拉,120 d后進行試驗。測試結果匯總于表2。

表2 試驗梁主要設計參數測試結果匯總表

1.2 預應力張拉及測試

縱向預應力鋼絞線采用金屬波紋管、BM-3錨具錨固。齡期50 d后,對預應力鋼絞線進行單根張拉,張拉過程中采用力傳感器測量張拉力,實測跨中頂、底板混凝土縱向及橫向應變匯總于表3。

表3 張拉頂底板應變實測結果表

對梁A2進行橫向預應力筋張拉,預加應力按3 MPa設計。橫向預應力采用絲桿螺母施加。

1.3 測試內容及加載制度

試驗梁采用液壓千斤頂兩點對稱加載,加載點距跨中均為400 mm,千斤頂上部設置壓力傳感器,下部設置鋼墊板及橡膠板,用來均勻傳遞荷載,防止試驗梁局部壓碎。試驗梁測點布置如圖2所示,主要對撓度及應變進行測試。

圖2 測點布設示意圖

試驗前,先對試驗梁進行預加載,消除試驗梁支承部位和加載部位的孔隙,檢查設備。試驗采用分級荷載和分級位移加載,每次加載完成后持荷5 min,用來觀察試驗梁狀況、記錄試驗數據。

2 試驗結果與分析

2.1 荷載-撓度曲線

在試驗梁加載-卸載全過程連續采集荷載及相應撓度。試驗梁開裂、普通鋼筋屈服、預應力筋屈服特征點的荷載及撓度匯總于下頁表4。根據試驗數據繪制如圖3所示跨中荷載-撓度曲線。

表4 特征點荷載-撓度值試驗結果表

圖3 荷載-撓度實測值曲線圖

結合荷載-撓度曲線可以發現:(1)預應力RPC箱梁具有很好的變形能力,試驗梁A1為99.3 mm,試驗梁A2為101.7 mm,均超過計算跨徑的1/50;(2)試驗過程存在4個明顯的關鍵點,即開裂點(A)、普通鋼筋屈服點(B)、預應力筋屈服點(C1、C2)和破壞點(D1、D2);(3)試驗梁A1、A2的荷載-撓度曲線基本重合,極限承載能力相近。綜上可知,橫向預應力對試驗梁抗彎性能影響不明顯。

2.2 應變測試結果

2.2.1 腹板應變

試驗階段,測得的跨中截面腹板沿梁高應變分布如圖4所示。結果表明:在試驗加載過程中,沿梁高方向腹板應變呈線性分布,基本符合平截面假定。開裂后,受拉區混凝土逐漸退出失效,中性軸位置逐漸上移。

(a)梁A1

2.2.2 頂板應變

將跨中頂板沿橫向布設的混凝土縱向應變測量結果匯總如圖5所示。由圖5可知,在開裂前,試驗梁處于彈性階段,頂板應變橫向分布均勻;開裂后,腹板位置應變增長較快,剪力滯效應越來越明顯。梁A2與梁A1相比,頂板應變分布均勻,剪力滯效應小,這主要是頂板施加的橫向預應力對頂板的縱向正應力有一定的卸載作用[16],使得翼板內的縱向應變在整個受力過程中沿橫向的分布較為均勻。

(a)梁A1

3 預應力RPC箱梁非線性分析

基于平截面假定和材料非線性,參考文獻[17],編制非線性分析程序,對試驗梁加載全過程受力性能進行分析。

3.1 非線性全過程數值分析

3.1.1 基本假定

(1)預應力鋼絞線、普通鋼筋與混凝土粘結良好,不發生相對滑動,截面應變增量符合平截面假定。

(2)RPC的受壓和受拉應力-應變關系見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中:σc、σt——RPC的壓、拉應力(MPa);

εc、εt——RPC的壓、拉應變;

fc、ft——RPC的抗壓和抗拉強度(MPa);

ε0、εt0——與RPC的抗壓和抗拉強度對應的應變;

εcu、εtu——RPC的壓、拉極限應變。

(3)預應力鋼絞線根據實測數據,將其本構關系簡化成折線型,見式(3)。

(3)

式中:Ep——預應力鋼絞線彈性模量(MPa);

fp——預應力鋼絞線拉應力(MPa);

εp——預應力鋼絞線拉應變;

fpy、fpu——預應力鋼絞線屈服應力和極限應力(MPa);

εpy、εpu——預應力鋼絞線屈服拉應變和極限拉應變。

(4)普通鋼筋采用理想彈塑性模型。

3.1.2 非線性分析方法

參考文獻[17],以數值分析為基礎,利用截面內力平衡條件,采用分層法求解試驗梁截面的彎矩-曲率(M-φ)關系,流程如圖6所示。

圖6 非線性全過程分析示意圖

采用共軛梁法得到試驗梁的荷載-位移曲線。具體步驟如下:(1)逐級增加截面曲率,根據所得M-φ曲線插值得到截面彎矩Mm,結合支座條件求得對應的外荷載Pm;(2)利用當前的外荷載Pm計算出各微段截面的彎矩{M},根據M-φ曲線插值得到各微段截面的曲率{φ};(3)采用共軛梁法求得控制截面對應的撓度δm。

3.1.3 程序驗證

根據本文編制的非線性數值分析程序對試驗梁進行全過程分析,圖7為跨中荷載-撓度曲線。由圖7可知,計算值與試驗值吻合較好,表明所編制的程序可對試驗梁進行較好的模擬分析。

圖7 荷載-撓度實測值與計算值對比曲線圖

3.2 參數分析

通過編制的非線性分析程序,研究預應力筋配筋率、張拉應力、箱梁高跨比等因素對預應力RPC箱梁抗彎性能的影響,為此類結構的合理設計提供理論依據。

3.2.1 預應力筋配筋率

試驗梁設置6根預應力筋,在保證張拉應力一定的情況下,調整預應力筋的根數,分別取2根、4根、6根、8根、10根。得到的荷載-撓度曲線如圖8所示。

圖8 不同預應力配筋率的荷載-撓度曲線圖

結果表明:控制張拉應力不變,增加預應力筋配筋率可有效地提高RPC箱梁的開裂荷載和極限承載能力,但會使RPC箱梁跨中極限撓度減小。可適當增加預應力筋數量,充分利用RPC抗壓強度,提高其抗彎承載力。

3.2.2 預應力筋張拉應力

試驗梁預應力筋張拉應力為600 MPa,在保證其他參數一定的情況下,張拉應力分別采用800 MPa、1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa,計算跨中荷載-撓度曲線,如圖9所示。

圖9 不同張拉應力的荷載-撓度曲線圖

結果表明:提高張拉應力,可以有效地提高RPC箱梁的開裂荷載,增強其抗裂性能,但張拉應力的調整對RPC箱梁極限承載力、撓度的影響很小。

3.2.3 高跨比的影響

在保證跨徑、箱梁頂底板厚度及支座條件不變的情況下,調整箱梁高度分別為250 mm、300 mm、350 mm(試驗梁)、400 mm、450 mm,計算跨中荷載-撓度曲線,如圖10所示。

圖10 不同箱梁高度的荷載-撓度曲線圖

結果表明:箱梁高度增大,結構的開裂荷載有所提高;在極限狀態下,較高的梁高使結構有更大的內力臂,相應的極限承載力也更大。

4 結語

(1)預應力RPC箱梁具有良好的變形能力,其跨中最大撓度可達其跨徑的1/50,橫向預應力的施加對其抗彎性能沒有影響。

(2)試驗梁腹板應變基本符合平截面假定,頂板施加橫向預應力會減小頂板剪力滯效應,使受壓區混凝土的應變分布更加均勻。

(3)采用分層法編制RPC箱梁非線性分析程序,試驗結果驗證了程序的適用性,對試驗梁進行參數分析。結果表明:增加預應力筋配筋率可有效地提高預應力RPC箱梁的開裂荷載和極限承載能力;適當提高預應力筋的張拉應力,可以增強RPC的抗裂性能,適當增加箱梁高度,可以有效提高RPC箱梁的開裂荷載和極限承載能力。