预应力RPC箱梁抗弯性能试验研究

刘 明,赵 敏,管东银

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)是20世纪90年代初由法国研制的一种超高性能混凝土UHPC(Ultra High Performance Concrete),具有强度高、韧性大、收缩徐变小和耐久性能优异等特点[1]。RPC具有超高的力学性能和耐久性能,用其替代普通混凝土,可有效减小桥梁结构尺寸、降低自重,优化结构设计,延长桥梁使用寿命。目前,RPC已逐渐应用到工程实例中,包括桥梁主梁、桥面板、拱圈及旧桥加固等方面[2]。RPC良好的力学性能及箱梁优异的空间受力性能非常适用于大跨径桥梁,有良好的应用前景,相关研究也已开展[3-6]。

国内外对RPC梁的受弯性能进行了大量的试验研究和理论分析。万见明等[7]采用等效原则法,确定正截面抵抗矩塑性影响系数,建议矩形截面取1.65,T形截面取1.90。杨剑等[8]对预应力RPC混凝土T梁进行了试验研究,推导了RPC梁的塑性系数γ=1.53,极限承载力考虑拉区RPC贡献,取抗拉强度fft=0.5ft。郑文忠等[9]通过对6根钢筋RPC矩形截面梁进行抗弯试验,提出考虑拉区RPC贡献的承载力计算公式,取0.25倍抗拉强度,并提出使用阶段变形及裂缝宽度的计算方法。徐海宾等[10-11]通过对UHPC预应力T梁进行抗弯试验,在规范公式的基础上,引入抗裂影响系数βcr=0.35并提出开裂弯矩计算公式;引入裂缝修正系数βfw=0.35并提出最大裂缝宽度计算公式;引入受拉区抗拉作用影响系数βfw=0.7并提出受弯承载力计算公式。方志等[12]对预应力RPC箱梁进行试验,采用《纤维混凝土结构技术规程》(CECS 38:2004)计算正常使用阶段的裂缝宽度及短期刚度,钢纤维影响系数取0.4和0.2。李立峰等[13]对一片大比例UHPC预应力T梁进行抗弯试验,建议开裂弯矩塑性影响系数取为1;承载力计算时拉区UHPC贡献较小,建议抗拉强度fft=0.238ft;编制了UHPC预应力T梁全过程非线性分析程序。彭飞等[14]对钢筋UHPC梁抗弯承载力计算方法进行系统研究,提出了截面受拉区UHPC的均匀分布应力折减系数k的计算公式。

基于现有研究成果,本文设计并制作2片预应力RPC箱梁进行抗弯试验,研究预应力RPC箱梁的抗弯性能及顶板横向预应力对其性能的影响,并编制非线性分析程序,对全过程受力进行分析。

1 试验概况

1.1 试件制作

本试验设计并制作2片截面尺寸相同的预应力RPC箱梁,编号分别为A1和A2,计算跨径为4 760 mm,截面尺寸如图1所示。预应力筋采用6-φ15.2 mm,普通钢筋为HRB400。梁A2跨中顶板布置横向预应力筋(直径为16 mm的丝杆),探究横向预应力对试验梁抗弯性能的影响。普通钢筋及预应力筋的力学性能如表1所示。

表1 试验梁钢筋力学性能表

(a)跨中 (b)端部

试验所用RPC为购置的成品RPC干混料加水拌制而成,其中水泥∶石英砂∶硅灰∶减水剂=1.0∶1.4∶0.25∶0.072,钢纤维体积掺量为2%,水胶比为0.2[15]。浇筑完成后,采用自然养护。浇筑时预留试块进行材性试验,50 d后张拉,120 d后进行试验。测试结果汇总于表2。

表2 试验梁主要设计参数测试结果汇总表

1.2 预应力张拉及测试

纵向预应力钢绞线采用金属波纹管、BM-3锚具锚固。龄期50 d后,对预应力钢绞线进行单根张拉,张拉过程中采用力传感器测量张拉力,实测跨中顶、底板混凝土纵向及横向应变汇总于表3。

表3 张拉顶底板应变实测结果表

对梁A2进行横向预应力筋张拉,预加应力按3 MPa设计。横向预应力采用丝杆螺母施加。

1.3 测试内容及加载制度

试验梁采用液压千斤顶两点对称加载,加载点距跨中均为400 mm,千斤顶上部设置压力传感器,下部设置钢垫板及橡胶板,用来均匀传递荷载,防止试验梁局部压碎。试验梁测点布置如图2所示,主要对挠度及应变进行测试。

图2 测点布设示意图

试验前,先对试验梁进行预加载,消除试验梁支承部位和加载部位的孔隙,检查设备。试验采用分级荷载和分级位移加载,每次加载完成后持荷5 min,用来观察试验梁状况、记录试验数据。

2 试验结果与分析

2.1 荷载-挠度曲线

在试验梁加载-卸载全过程连续采集荷载及相应挠度。试验梁开裂、普通钢筋屈服、预应力筋屈服特征点的荷载及挠度汇总于下页表4。根据试验数据绘制如图3所示跨中荷载-挠度曲线。

表4 特征点荷载-挠度值试验结果表

图3 荷载-挠度实测值曲线图

结合荷载-挠度曲线可以发现:(1)预应力RPC箱梁具有很好的变形能力,试验梁A1为99.3 mm,试验梁A2为101.7 mm,均超过计算跨径的1/50;(2)试验过程存在4个明显的关键点,即开裂点(A)、普通钢筋屈服点(B)、预应力筋屈服点(C1、C2)和破坏点(D1、D2);(3)试验梁A1、A2的荷载-挠度曲线基本重合,极限承载能力相近。综上可知,横向预应力对试验梁抗弯性能影响不明显。

2.2 应变测试结果

2.2.1 腹板应变

试验阶段,测得的跨中截面腹板沿梁高应变分布如图4所示。结果表明:在试验加载过程中,沿梁高方向腹板应变呈线性分布,基本符合平截面假定。开裂后,受拉区混凝土逐渐退出失效,中性轴位置逐渐上移。

(a)梁A1

2.2.2 顶板应变

将跨中顶板沿横向布设的混凝土纵向应变测量结果汇总如图5所示。由图5可知,在开裂前,试验梁处于弹性阶段,顶板应变横向分布均匀;开裂后,腹板位置应变增长较快,剪力滞效应越来越明显。梁A2与梁A1相比,顶板应变分布均匀,剪力滞效应小,这主要是顶板施加的横向预应力对顶板的纵向正应力有一定的卸载作用[16],使得翼板内的纵向应变在整个受力过程中沿横向的分布较为均匀。

(a)梁A1

3 预应力RPC箱梁非线性分析

基于平截面假定和材料非线性,参考文献[17],编制非线性分析程序,对试验梁加载全过程受力性能进行分析。

3.1 非线性全过程数值分析

3.1.1 基本假定

(1)预应力钢绞线、普通钢筋与混凝土粘结良好,不发生相对滑动,截面应变增量符合平截面假定。

(2)RPC的受压和受拉应力-应变关系见式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中:σc、σt——RPC的压、拉应力(MPa);

εc、εt——RPC的压、拉应变;

fc、ft——RPC的抗压和抗拉强度(MPa);

ε0、εt0——与RPC的抗压和抗拉强度对应的应变;

εcu、εtu——RPC的压、拉极限应变。

(3)预应力钢绞线根据实测数据,将其本构关系简化成折线型,见式(3)。

(3)

式中:Ep——预应力钢绞线弹性模量(MPa);

fp——预应力钢绞线拉应力(MPa);

εp——预应力钢绞线拉应变;

fpy、fpu——预应力钢绞线屈服应力和极限应力(MPa);

εpy、εpu——预应力钢绞线屈服拉应变和极限拉应变。

(4)普通钢筋采用理想弹塑性模型。

3.1.2 非线性分析方法

参考文献[17],以数值分析为基础,利用截面内力平衡条件,采用分层法求解试验梁截面的弯矩-曲率(M-φ)关系,流程如图6所示。

图6 非线性全过程分析示意图

采用共轭梁法得到试验梁的荷载-位移曲线。具体步骤如下:(1)逐级增加截面曲率,根据所得M-φ曲线插值得到截面弯矩Mm,结合支座条件求得对应的外荷载Pm;(2)利用当前的外荷载Pm计算出各微段截面的弯矩{M},根据M-φ曲线插值得到各微段截面的曲率{φ};(3)采用共轭梁法求得控制截面对应的挠度δm。

3.1.3 程序验证

根据本文编制的非线性数值分析程序对试验梁进行全过程分析,图7为跨中荷载-挠度曲线。由图7可知,计算值与试验值吻合较好,表明所编制的程序可对试验梁进行较好的模拟分析。

图7 荷载-挠度实测值与计算值对比曲线图

3.2 参数分析

通过编制的非线性分析程序,研究预应力筋配筋率、张拉应力、箱梁高跨比等因素对预应力RPC箱梁抗弯性能的影响,为此类结构的合理设计提供理论依据。

3.2.1 预应力筋配筋率

试验梁设置6根预应力筋,在保证张拉应力一定的情况下,调整预应力筋的根数,分别取2根、4根、6根、8根、10根。得到的荷载-挠度曲线如图8所示。

图8 不同预应力配筋率的荷载-挠度曲线图

结果表明:控制张拉应力不变,增加预应力筋配筋率可有效地提高RPC箱梁的开裂荷载和极限承载能力,但会使RPC箱梁跨中极限挠度减小。可适当增加预应力筋数量,充分利用RPC抗压强度,提高其抗弯承载力。

3.2.2 预应力筋张拉应力

试验梁预应力筋张拉应力为600 MPa,在保证其他参数一定的情况下,张拉应力分别采用800 MPa、1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa,计算跨中荷载-挠度曲线,如图9所示。

图9 不同张拉应力的荷载-挠度曲线图

结果表明:提高张拉应力,可以有效地提高RPC箱梁的开裂荷载,增强其抗裂性能,但张拉应力的调整对RPC箱梁极限承载力、挠度的影响很小。

3.2.3 高跨比的影响

在保证跨径、箱梁顶底板厚度及支座条件不变的情况下,调整箱梁高度分别为250 mm、300 mm、350 mm(试验梁)、400 mm、450 mm,计算跨中荷载-挠度曲线,如图10所示。

图10 不同箱梁高度的荷载-挠度曲线图

结果表明:箱梁高度增大,结构的开裂荷载有所提高;在极限状态下,较高的梁高使结构有更大的内力臂,相应的极限承载力也更大。

4 结语

(1)预应力RPC箱梁具有良好的变形能力,其跨中最大挠度可达其跨径的1/50,横向预应力的施加对其抗弯性能没有影响。

(2)试验梁腹板应变基本符合平截面假定,顶板施加横向预应力会减小顶板剪力滞效应,使受压区混凝土的应变分布更加均匀。

(3)采用分层法编制RPC箱梁非线性分析程序,试验结果验证了程序的适用性,对试验梁进行参数分析。结果表明:增加预应力筋配筋率可有效地提高预应力RPC箱梁的开裂荷载和极限承载能力;适当提高预应力筋的张拉应力,可以增强RPC的抗裂性能,适当增加箱梁高度,可以有效提高RPC箱梁的开裂荷载和极限承载能力。