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1、预应力高强轻骨料混凝土持续刚构桥的实验研究PRESTRESSTECHNOLOGY第三石改馆姆优秀顿左勿论炙奖专超预左技末2o第2期总第79期预应力高强轻骨料混凝土持续刚构桥的实验研究黄盛楠刘英奎叶列平孙海林冯鹏陆新征(清华大学土木工程系北京100084)摘要:强度级别在CL40以上的高强轻质混凝土(HSLWC)应用于大跨度桥梁构造,具有减轻自重,有效减少构造内力,增大跨度,减少桥墩数量等长处.以云南安宁至楚雄高速公路l4号达连坝段公路桥为原型,按照i/4tL例设计了一种3跨预应力高强轻骨料混凝土持续刚构桥,其桥面构造采用CL50混凝土,进行了多种荷载工况的实验研究.成果表白,预应力高强轻骨料混
2、凝土持续刚构桥具有较好的受力性能,1倍和1.5倍等效车队荷载通过时,各项指标均满足规范规定;2倍等效车队荷载通过时,部分指标不满足使用规定,但桥梁体现出了较好的延性;在严重超载状况下,桥梁虽破坏严重,但仍可保持较好的承载力水平且不会发生跨塌.核心词:刚构桥模型实验高强轻骨料混凝土预应力残存变形高强轻质混凝土(HSLWC)指采用高强轻骨料(重要是陶粒)配制的强度级别在CL40以上的轻骨料混凝土,其表观密度为1600kg/m1950km,比相似强度级别的一般混凝土轻25%30%,应用于大跨度桥梁构造,可以有效减小构造自重,增大桥梁跨度,减少桥墩的数量,减少基本解决的费用,并且对于地震区,可以减少地
3、震作用,具有显着的综合经济效益J.到目前为止,北美用LWC建造了800多座桥的桥面j,其中绝大部分为桥面板的新建或翻修.近十年来,挪威在大跨桥梁工程应用HSLWC方面发展迅速,成为世界上应用最先进的国家之一J.从1966年开始,国内先后建成了32座跨度在16.Om21.4m的中,小跨度公路桥,既有钢筋轻骨料混凝土桥梁,也涉及少量的预应力轻骨料混凝土桥梁.目前,国内轻骨料混凝土强度普遍较低,缺乏HSLWC(CL40)的有关研究资料和工程应用经验.为推动HSLWC在桥梁工程的推广应用,交通部西部科研项目轻质昆凝土用于大跨径桥梁的研究专门对HsLwc在桥梁中的应用进行了研究.本文以云南安宁至楚雄高速
4、公路14号达连坝段公路桥为原型,按照1/4的缩尺比例设计了本文获第三届欧维姆优秀预应力论文奖三等奖(原载工程力学增刊.1)o一个3跨预应力高强轻骨料混凝土持续刚构桥的模型实验,模拟车队荷载对多种工况进行加载试验,考察其受力性能和使用性能,为高强轻骨料混凝土桥梁的工程应用提供根据.1实验概况云南安宁至楚雄高速公路14号达连坝段公路桥见图1,设计荷载为汽20J,桥上部构造采用预应力高强轻骨料混凝土的箱形截面,按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTJ02385设计.根据实验场地条件,模型桥按1/4缩尺比例制作,同步为便于制作,将截面简化为工字形,布置有一根屈服强度为1820MPa的预应力钢绞
5、线,与实际构造吻合预应力筋采用曲线布筋(见图2(d).轻骨料混凝土的应力应变关系采用王振宇用同样骨料的轻骨料混凝土实验后得到的修正曲如图3(a)所示,峰值应变建议取为2500g;预应力钢筋及一般钢筋的实测应力应变曲线见图3(b)图3(d),有关材料实测强度值参见表1.表1模型桥实验材料参数轻骨料混凝土钢筋屈服强度/MPa抗压强度f/MPa弹性模量/MPa1012钢绞线715.252.552.27PRESTRESSTECHNOLOGY第三石改体姆优秀撅左方论文奖专超j5i左拉末第2期总第79期根据相似比例,模拟桥制作完毕后,进行预应力张拉,通过一段时间的预应力损失后最后获得的有效预应力为170k
6、N.同步为保证模型桥与原桥处在相似的受力状态,设立3kN/m配重以模拟桥梁在自重下的实际应力状态,然后再施加荷载进行实验.点,两边边跨各1个.将汽一20级车队按照相似比等效为3点集中荷载,等效后的单点荷载为25kN(本文如下均以单点荷载值表达).加载时,为了模拟桥梁在实际使用中的车队移动荷载,将3个千斤顶从南到北依次组合模拟车辆荷载进行分级加载,最后5个千斤顶同步加载直至破坏.整个本实验共有5个加载点,其中中间跨3个加载加载分为4种工况,见图4.实验加载过程如下:/.1900350o.19O01I.2.2.11.2.2.11._,9500【95气l16)00.L9:;95008I1-1-(a)
7、原型桥(b)断面12ll2图1原型桥梁及其截面2lI2I3QQQ(c)断面2中一位移计(a)模型桥梁轮廓及位移计布置位置示意图(b)断面1(.)断面2肋._工砌至.lJ,Illl一.gLl500【500t5oooo.L.2750【2Ooo.20oo2250(d)预应力筋布置图2模型桥.山皇凸一譬倒罨(a)轻骨料混凝土应力应变关系O.o00.010.O20.030.040.O5O.06OO70.O8应变(b)预应力钢筋应力应变关系一一厂01O0o2oo030oO4Oo0应变(e)直径10mm钢筋应力应变关系0lO002o0030oO4000应变(d)直径12ram钢筋应力应变关系图3材料材性实验
8、成果.一一(a)工况a(b)工况b(c)工况e(d)工况d图4加载工况图(1)模拟桥梁正常使用及轻度超载状况,依次按照工况a,工况b,工况c加载,最大荷载相称于1.5倍原则汽一2O级车队的等效荷载,即最大单点荷载为37.5kN;(2)模拟桥梁严重超载状况,依次按照工况a,工况b,工况c加载,最大荷载相称于2倍标准汽一20级车队的等效荷载,即最大单点荷载为50kN;(3)按工况d力载直至破坏,该加载过程分为4/i载步:正常使用(单顶最大荷载37.5kN),严重超载(中跨跨中挠度28.3mm=1/300L),严重损坏(中跨跨中挠度60ram=1/135L和108mm=1/75L),最后无法继续加载
9、.整个加载过程如表2所示,每个荷载步单顶荷载加至预定最大荷载值或位移值后卸载,再进行下一种荷载步.实际加载过程中,考虑构造的对称性以及以便加载操作,将荷载步4与荷载步6对调.表2实验加载方案PRES丁RESSTECHNOL0GY第三石改谁船优秀顿左-b论炙奖专超预左技末第2期总第79期2实验成果2.1正常使用和1.5倍超载实验加载步1:按工况a加载.在正常使用荷载作用下(25kN),桥梁没有浮现裂缝,中跨跨中挠度3.66ram;在轻度超载下(37.5kN),中跨跨中梁底浮现0.05ram的微小裂缝,但荷载一位移曲线仍基本为始终线,中跨跨中挠度4.75ram,卸载后残存变形很小,中跨跨中仅为0.
10、15mm(见图5(a),且由于预应力筋的作用,裂缝闭合;在该荷载工况下,左边跨跨中产生向上的位移(见图5b)(注:位移计以向下为正).加载步2:按工况b加载.在正常使用荷载作用下(25kN),没有裂缝重新浮现,中跨跨中挠度5.30mm;轻度超载时(37.5kN),中跨跨中梁底最大裂缝宽度为0.1mm,中跨跨中挠度12.48ram;在22kN时,两侧梁端翘起,脱离支座,使构造受力模式发生变化,从而使整体刚度减少,荷载位移曲线浮现拐点.卸载后在预应力筋的作用下,裂缝部分闭合,残存变形为0.65mm(见图5(a);在该荷载工况下,边跨跨中向上的位移更加明显(见图5(b).加载步3:按工况c加载.由于
11、在上一荷载步中裂缝的开展,使桥梁的刚度有所减少,在正常使用荷载下(25kN),中跨跨中挠度3.98mm,在轻度超载下(37.5kN),中跨跨中挠度6.10ram,但卸载后裂缝部分闭合,中跨跨中残存变形几乎没有增长(见图5(a);在该荷载工况下,虽然左边跨有加载点,但左边跨跨中仍是向上的位移,其最大位移值比荷载步1小(见图5(b1).以上实验成果表白,在正常使用荷载下,模型桥在不同荷载工况作用时的裂缝和挠度均满足规范规定;在1.5倍设计荷载的轻微超载下,模型桥梁在不同荷载工况下已浮现微小裂缝,仍满足规范规定的正常使用范畴,但在荷载多次作用后,桥梁刚度有所减少,产生累积损伤,残存变形也有所增长.o
12、30Z2010OZ柩挺024681O12位移/mm(a)中跨跨中挠度(位移计4)6.54.32.10位移/ram(h)左边跨跨中挠度(位移计2)图5荷载步1一荷载步3荷载一跨中挠度曲线2.2严重超载实验加载步4:按工况c加载.加载至25kN时,最大裂缝宽度0.1mm,中跨跨中挠度4.13mm;加载至50kN时,最大裂缝宽度0.15mm,中跨跨中挠度9.50ram(图6(a),卸载后残存变形增大至0.82mm,左边跨跨中产生向上位移(图6(b).加载步5:按工况b加载.加载至20kN时,两端梁端翘起,荷载一位移曲线浮现拐点.随着荷载的增长,达40kN时,右侧柱顶外侧钢筋屈服,荷载一位移曲线再次浮
13、现拐点.本荷载步最大裂缝宽度0.25mm,卸载后残存变形增大至2.13mm,已浮现明显损伤.加载步6:按工况a加载.加载25kN时,最大裂缝宽度0.1mm,中跨跨中挠度5.74mm;加载至50kN时,最大裂缝宽度0.2ram,中跨跨中挠度14.1mm(约为跨度的1/601),卸载后残存变形为2.38mm.本荷载步的挠度和裂缝宽度都不小于荷载步4,且卸载后残存变形不小于最不利工况的加如加mOPRESTRESSTECHNOLOGY第三石改体姆优秀顿左论文奖专超左技不201o年第2期总第79期载步5,阐明构造损伤进一步加大.以上实验成果表白,在2倍设计荷载的严重超载隋况下,模型桥的裂缝宽度和挠度都超
14、过了规范的正常使用限值,且存在严重的损伤.但在严重超载后,如桥梁继续正常使用(不发生超载),裂缝宽度和挠度仍能满足规定.6050z4O30201O0Z繇牲051O0位移/ram(a)中跨跨中挠度f位移计4)一J26一j0位移/ram(b)左边跨跨中挠度(位移计2)图6荷载步4荷载步6荷载一跨中挠度曲线2.3破坏加载实验加载步7加载步11:按工况d力载.加载步7,最大荷载时中跨跨中挠度lOmm,中跨跨中梁底裂缝宽度0.3mm;在此后的加载步中,裂缝不断开展,钢筋陆续屈服,构造刚度不断减少,裂缝不断开展,在80kNH,中跨跨中梁底钢筋出现屈服,桥梁刚度显着减少,荷载一位移曲线出现水平段,中跨梁根部混凝土破坏严重,浮现贯通的裂缝,但由于预应力筋的存在,把各部分混凝土连接在一起,因此并未浮现整体垮塌,仍能保持继续承载的能力,荷载位移曲线仍显示出上升的趋势,卸载后存在较大的残存变形(见图7ofa).继续加载后,在100kN时,两个柱的柱顶右侧钢筋屈服,在104kN时,左侧柱底内侧钢筋屈服.随着荷载的增长,左边跨跨中的位移由向上变成向下,最后产生向下的残存变形(见图7).为了
