預制梁靜載試驗理論計算值影響因素研究
2023-12-29 00:00:00李增科
西部交通科技 2023年6期
作者簡介：李增科（1990—），碩士，工程師，主要從事橋梁檢測評估方面的研究工作。
摘要：靜載試驗是評價橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的一個重要手段，理論計算值則直接影響靜載試驗結(jié)果，因此如何準確確定結(jié)構(gòu)理論計算值顯得尤為重要。文章以預制T梁作為研究對象，基于材料力學的計算原理，通過建立等效截面抗彎剛度模型，研究了截面配筋和支座約束對預制T梁靜載試驗理論計算值的影響。研究結(jié)果表明，截面配筋提高了截面抗彎剛度使得理論計算值偏小，而支座約束的不同模擬方式也會影響理論計算值。研究成果可為預制梁及成橋結(jié)構(gòu)的靜載試驗理論計算提供借鑒。
關(guān)鍵詞：靜載試驗；預制梁；截面配筋；支座約束；理論計算值
中圖分類號：U441+.2A371254
0 引言
靜載試驗作為檢驗橋梁實際承載能力的重要手段，在橋梁工程中得到了廣泛的應用，而結(jié)構(gòu)的理論計算值準確與否，則直接影響到靜載試驗結(jié)果。
對于成橋狀態(tài)下靜載試驗理論計算值的影響因素，近年來不少學者對其進行了相關(guān)研究。馮志強［1］重點研究了橋面鋪裝、截面配筋、支座等因素對結(jié)構(gòu)計算的影響，認為橋面鋪裝和截面配筋參與橋梁受力對計算結(jié)果影響較大，在計算模型中應予以考慮。胡凱［2］針對理論分析準確性的影響因素進行了分析，結(jié)果表明混凝土彈性模量對結(jié)果的影響最為明顯；馬占凱［3］定量分析了計算模式及計算參數(shù)對理論計算值的影響，結(jié)果表明計算模式對于理論計算值有顯著影響。此外，其他文獻也對成橋狀態(tài)下理論計算值的影響因素做了相應的研究工作。上述研究主要從成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)理論計算值的影響因素進行展開，而對于預制梁靜載試驗理論計算值的影響因素研究則較少，有待進一步拓展。
1 理論計算影響因素分析
影響理論計算值的因素主要包括計算模式和計算參數(shù)。計算模式主要體現(xiàn)在建模分析時往往會對橋梁結(jié)構(gòu)進行簡化，橋面鋪裝、護欄、橫隔板和截面鋼筋的剛度等因素通常情況下均不予考慮，但以上因素均對橋梁實際剛度起到增大作用。此外，結(jié)構(gòu)的邊界條件簡化為理想約束使得理論計算值偏大，計算參數(shù)如混凝土彈性模量以及橫向連接剛度的取值，也會影響理論計算值。
與橋梁成橋狀態(tài)靜載試驗相比，預制梁靜載試驗一般在預制梁場進行。對于預制梁靜載試驗理論計算值而言，可以排除橋面鋪裝、護欄、橫向聯(lián)系等因素的影響，影響理論計算值的因素主要為截面配筋和支座約束的模擬。因此，本文針對截面配筋和支座約束模擬兩個影響因素對預制梁靜載試驗理論計算值進行分析。
1.1 截面配筋的影響
根據(jù)材料力學［4］的計算公式，截面抗彎剛度EI由材料的彈性模量E和截面的抗彎慣性矩I所構(gòu)成，而截面抗彎剛度是計算梁體應變和變形的關(guān)鍵參數(shù)。因此，準確計算截面抗彎剛度將直接影響理論計算值。在靜載試驗理論計算時，截面抗彎慣性矩的計算僅考慮混凝土的貢獻，而忽略了截面配筋（包括普通鋼筋及預應力鋼筋）的作用，而截面鋼筋的彈性模量遠大于混凝土。因此，理論計算得出的截面抗彎剛度與實際抗彎剛度存在一定的偏差，進而影響結(jié)構(gòu)的理論計算值。
本文基于材料力學的基本原理，建立了等效截面抗彎剛度計算模型，研究了截面配筋對截面抗彎剛度的影響。
1.1.1 計算假定
研究結(jié)果表明，鋼筋和混凝土這兩種材料能夠結(jié)合在一起共同工作，具有良好的粘結(jié)性能。基于此，本文在對梁截面抗彎剛度進行計算時采用如下假設：
（1）混凝土和鋼筋為理想彈性材料，混凝土和鋼筋的彈性模量為常數(shù)。
（2）混凝土梁整體截面在受彎后仍保持平面，截面應變符合平截面假設。
（3）鋼筋混凝土截面中鋼筋與混凝土之間有可靠的粘結(jié)力，相對滑移很小，可以忽略不計。
1.1.2 計算原理
基于材料力學的計算原理［5-6］，預應力混凝土梁采用彈性理論方法計算時，根據(jù)截面總內(nèi)力大小相等且應變相同的原則，將梁截面中縱向普通鋼筋和預應力鋼筋截面面積換算為等效的混凝土面積，得到混凝土梁換算截面。換算時鋼筋截面形心保持不變，僅將鋼筋面積用∝E（∝E=Es/Ec，為鋼材與混凝土的彈性模量之比）倍的混凝土截面面積代替，即可將鋼筋混凝土截面換算為單一彈性模量Ec的混凝土截面。如下頁圖1所示。
預應力混凝土梁截面由三種材料組成，則混凝土截面等效抗彎剛度為：
E0I0=EsIs+EpIp+EcIc（1）
式中：Es、Ep、Ec——縱向普通鋼筋、縱向預應力鋼筋以及混凝土的彈性模量；
Is、Ip、Ic——縱向普通鋼筋、縱向預應力鋼筋以及混凝土的抗彎慣性矩。
1.1.3 計算示例分析
預制梁靜載試驗理論計算值影響因素研究/李增科
為了分析截面配筋對預制T梁抗彎剛度的影響程度，分別計算了20 m、30 m和40 m三種不同跨徑預制T梁的等效截面抗彎剛度。這三種跨徑預制T梁的截面構(gòu)造和配筋情況見圖2～4。
根據(jù)材料力學的計算原理及抗彎剛度等效計算模型，對三種跨徑預制T梁等效截面抗彎剛度進行計算，計算結(jié)果見表1。
根據(jù)表1可知，考慮截面配筋的影響后，不同跨徑預制T梁的截面抗彎剛度均有不同程度的增加，增加值在12.6%～14.9%。隨著預制T梁跨徑的增加，截面配筋對截面抗彎剛度的影響逐漸減小。
1.2 支座約束的影響
對于裝配式橋梁而言，其支座一般采用板式橡膠支座。在有限元分析中，通常將板式橡膠支座施加的約束簡化為鉸支座［7］。采用這種方式進行模擬時，支座約束方向的剛度視為無限大，無法考慮支座的實際剛度。此外，梁體與支座之間的接觸也由面接觸簡化為點接觸的形式。因此，在對橋梁結(jié)構(gòu)進行理論計算時，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計算結(jié)果均會產(chǎn)生偏差。
1.2.1 支座約束模擬方法
本文通過三種不同的模擬方法來研究支座約束對預制梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，三種支座約束模擬方法實現(xiàn)方式見表2。
1.2.2 支座剛度計算
板式橡膠支座剛度包括3個平動方向剛度和3個轉(zhuǎn)動方向剛度，支座剛度計算公式如下：
SDx=EA/L（2）
SDy=SDy=GA/L（3）
SRx=GIp/L（4）
SRy=EIy/L；SRz=EIz/L（5）
式中，SDx、SDy、SDz——支座沿橋梁縱向、橫向及豎向的平動剛度；
SRx、SRy、SRz——支座沿橋梁縱向、橫向及豎向的轉(zhuǎn)動剛度；
E、G、A——支座彈性模量、切變模量與面積；
L——支座高度。
1.2.3 計算示例分析
本文采用三種不同的支座約束模擬方法，分別計算了20 m、30 m和40 m三種不同跨徑預制T梁在汽車荷載（公路-Ⅰ級）作用下的內(nèi)力和變形值。預制T梁的截面構(gòu)造按圖2～4所示，計算分析時不考慮截面配筋的影響。三種支座約束模擬方法見圖5。
三種不同跨徑預制T梁在汽車荷載（公路-Ⅰ級）作用下的內(nèi)力和變形計算結(jié)果見表3。
從表3可知，考慮支座剛度及寬度的影響后，預制T梁跨中截面彎矩和變形都有所減小。跨中彎矩的減小比例在1.9%～2.5%，而跨中變形的減小比例在4.5%～6.0%。采用不同的支座約束模擬方法對預制T梁變形的影響大于內(nèi)力的影響，但其影響相對較小。
2 工程實例
2.1 試驗梁概況
某大橋的上部結(jié)構(gòu)采用4×40 m預應力混凝土連續(xù)T梁，梁體混凝土強度等級為C50，梁高為2.50 m，支座采用GJZ 400 mm×500 mm×99 mm型板式橡膠支座。試驗T梁構(gòu)造圖見圖6。本次試驗時，該預制T梁仍存放在梁場存梁區(qū)的存梁臺座上，梁體處于簡支單梁受力狀態(tài)。
2.2 測試截面及測點布置
2.2.1 測試截面
本次T梁靜載試驗分別在預制梁的A、B、C截面梁底布設撓度和應變測點，測試截面布置如圖7所示。在試驗過程中，對各測試截面測點的撓度和應變值進行了測量，同時測量T梁兩端支點沉降以修正各測試截面的撓度實測值。
2.2.2 測點布置
在預制梁的A、B、C截面分別布設撓度測點和應變測點，撓度測點和應變測點均布置于T梁底面，每截面分別布置2個撓度測點和2個應變測點，撓度測點采用位移傳感器進行測試，應變測點采用混凝土電阻式應變片進行測試。測點截面布置如圖8所示。
2.3 試驗結(jié)果及分析
本次結(jié)合實測數(shù)據(jù)對比分析了三種計算工況下試驗梁測試截面的計算撓度和計算應變。三種計算工況如下：
計算工況一：忽略截面配筋及支座約束的影響。
計算工況二：考慮支座約束的影響，忽略截面配筋的影響。
計算工況三：考慮截面配筋及支座約束的影響。
試驗梁現(xiàn)場實測值與各計算工況下理論計算對比結(jié)果見表4、表5及圖9、圖10。
由表4～5及圖9～10可知，滿載時，試驗梁的實測應變值與各計算工況下計算值曲線的變化規(guī)律基本一致。考慮截面配筋、支座剛度和寬度的影響后，試驗梁各截面的計算應變和計算撓度均有不同程度的減小，其中計算應變減小了15.0%，計算撓度減小了18.5%。可見截面配筋對預制梁理論計算值的影響較大，而不同支座約束模擬方法對理論計算值的影響相對較小。
3 結(jié)語
本文基于材料力學的計算原理，通過建立等效抗彎剛度簡化計算模型，分析了預制T梁截面配筋及支座約束對靜載試驗理論計算值的影響，得出以下結(jié)論：
（1）截面配筋對預制梁靜載試驗理論計算值影響較大，截面配筋提高了截面的抗彎剛度，導致理論計算值減小。隨著預制T梁跨徑的增加，截面配筋對理論計算值的影響逐漸減小。
（2）考慮支座約束的剛度及寬度影響后，預制T梁靜載試驗理論計算值有所減小，但減小的比例很小。在對預制T梁進行計算分析時，可忽略支座約束的剛度及寬度影響，將支座施加的約束簡化為理想的鉸支座。
（3）本文的研究成果為預制T梁靜載試驗理論計算及承載能力評價提供了借鑒，也為其他類型預制梁及成橋結(jié)構(gòu)的靜載試驗理論計算提供了思路。
參考文獻
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