箱梁竖向预应力抗剪试验研究

曹敏辉

摘要：箱梁的斜裂缝成为桥梁的普遍病害之一。经研究分析发现，其抗剪设计理并非十分完善也是裂缝产生的的主要原因之一，桥梁规范对于竖向预应力对混凝土箱梁的抗剪性能的影响并没有明确。基于此，本文对配置竖向预应力筋混凝土箱梁进行试验研究，为箱梁抗剪设计理论完善提供方法和依据

关键词：箱梁试验 竖向预应力 抗剪性能

中图分类号：TU394文献标识码：A文章编号：

Abstract：The incline cracks has become one of the common diseases of concrete box beam, in the research on reasons, it is found that the theory is not perfect that cause the cracks and the bridge code does not give the identical provision about box girder shear performance, based on this, a text for box girder which is vertical pre-stressed is carry out , to provide new methord and foundation for shear design of concrete box girder.

Key words: box girder textvertical prestressedshear performance

1、试验设计

先对布置竖向预应力的实桥腹板进行分析，找出腹板主压应力大小及分布规律，然后根据主压应力等效的准则，来设计模型箱梁的尺寸大小及竖向预应力布置范围，通过模型试验来揭示竖向预应力对箱梁抗剪性能的影响。

1.1试验模型计算

在运用有限元计算软件进行计算时，考虑到计算过程中边界条件难以模拟，故根据圣维南原理，取相邻几个节段一起进行分析计算，然后采用所选节段中位于中间部分的应力作为实际桥梁应力的计算理论值。本试验设计参照的是广西来宾市某桥腹板的应力水平。主压应力大小大约在2.1~2.2MPa。

1.2试验模型计算

运用ANSYS建立试验箱梁有限元模型，混凝土采用solid65单元，通过体分法赋予实体边界线钢筋单元属性来建立分离式模型。预应力的模拟是通过对预应力筋进行降温来施加的。降温110度后，其腹板的主压应力分布如图1.1所示。从图中可以看出，腹板中心处的主压应力基本上在2.0~2.2MPa之间，核心混凝土处达到了2.4MPa以上。故其应力水平与计算所得的腹板主压应力水平相当。

图1.1 试验模型腹板中心处主压应力云图

2、试验内容

2.1试验模型参数

本试验以20m跨钢筋混凝土箱梁为原型，制作了比例为1:5的钢筋混凝土箱梁。为了保证试验梁发生预期的剪切破坏，试验梁配置了足够的纵向钢筋。试验梁普通钢筋采用R235和HRB335钢筋，竖向预应力筋采用HRB400高强钢筋，试件在两端剪跨区预应力筋的配筋率相同，剪跨比均为1.66。为对比预应力的影响，一端张拉预应力，而另一端不张拉。

2.2试件制作

模型的制作过程如下:

支模一绑轧钢筋和波纹管—浇注混凝土—养护—张拉预应力筋并灌浆。

本试验梁采用的是西卡成品水泥基灌浆料，其水灰比为1:0.27，在试验室环境下测得其28天抗压强度达到90Mpa，且本试验中通过采用在浆体初凝前进行预应力的二次张拉的方法来消除预应力损失。

2.3加载装置

试验梁采用图2.1所示的对称加载方式，采用液压千斤顶向通过分配梁进行荷载分配，将荷载作用在箱梁的腹板上。

图2.1加载装置实物图

3、试验结果分析

3.1裂缝形态

从试验梁斜裂缝比较来看，不张拉端斜裂缝的平均间距为70-80mm，且裂缝基本保持平行，而张拉端斜裂缝间距则是沿着腹板高度从上至下逐渐增大的，其中上端平均间距为50mm，下端平均间距为150mm。

从试验梁开裂荷载比较来看，不张拉端斜裂缝出现在加载到250kN，而且张拉端斜向开裂荷载则是出现在加载到290kN时，此时开裂的位置位于竖向预应力筋布置范围之外，而预应力区的开裂则是出现在加载到320kN时，可见竖向预应力能够很好的提高梁体的开裂荷载。

3.2试验梁荷载挠度分析

图3.1 不张拉端加载点荷载-位移曲线图3.2 张拉端加载点荷载-位移曲线

根据绘制的荷载—位移曲线图3.1~3.2，看出在裂缝出现前，试验梁处于弹性工作阶段，试验梁破坏时,位移仍有较大增长。破坏时，不张拉端位移是张拉端位移的1.3~1.4倍；

3.3 平均应变分析

图3.3-3.4中a、b、c分别代表竖向，斜向和横向引伸仪的平均应变。

可以看出，在开裂前，混凝土的平均应变变化很小，斜裂缝产生后，平均应变产生明显变化，因此可以从图中找出裂缝产生时对应的荷载大小，并且竖向应变平均变化最小，斜向平均应变变化最大，加载后期，荷载变化很小时，各向平均应变增量仍有增长，直到破坏。

图3.3 不张拉梁荷载-平均应变曲线图图3.4 张拉梁荷载-平均应变曲线图

3.4 承载力比较

运用公路桥梁规范(JTG D62-2004)[1]中抗剪承载力公式计算,对试验结果与计算结果进行比较，试验值与计算值之比约为1.5，所以公路桥梁规范在抗剪承载力上具有一定的安全储备。

4小结

本文对试验现象及结果进行分析，可以得出以下结论：

(1)由于竖向预应力的影响，腹板混凝土主压应变角不再保持不变，而是随着荷载发生转动。所以在斜裂缝分布上,不张拉端斜裂缝是保持平行的，而张拉端的斜裂缝间距则是沿着腹板从上至下逐渐增大的，

(2) 竖向预应力能明显提高箱梁的开裂荷载，对本文试验梁中，开裂荷载提高16%。试验值与规范计算值之比均在1.5左右，规范用于计算混凝土箱梁抗剪承载力是偏于保守的。破坏时，不张拉端位移要是对应不张拉端位移的1.3～1.4倍，说明预应力在提高了梁体的极限位移。

参考文献

中华人民共和国交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG 62-2004).北京:人民交通出版社,2004,28-304

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看