先简支后连续梁桥结构的疲劳性能与抗裂性能

盛兴旺, 周相华

(中南大学 土木建筑学院,湖南 长沙, 410075)

摘要: 采用等幅重复加载和按比例分级加载法,对3根铁路先简支后连续模型梁的疲劳性能和抗裂性能进行研究。根据3根模型梁疲劳试验和开裂试验结果,分析在正常应力状态下结构刚度,各典型截面混凝土、普通钢筋和预应力钢筋的应变随疲劳加载次数的变化规律以及重复加载对各关键断面特别是湿接缝断面抗裂性能的影响。研究结果表明:重复加载能明显降低梁体刚度,并使梁体混凝土、普通钢筋和预应力钢筋的应变增大;重复荷载降低了湿接缝的抗裂强度,而对跨中截面和中支点截面抗裂强度无明显影响。
关键词: 疲劳;抗裂强度;先简支后连续梁; 预应力混凝土
中图分类号:TU375.1 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)03-0511-06

Fatigue behaviour and anticrack property of simply
supported-to-continuous beam

SHENG Xing-wang, ZHOU Xiang-hua

(School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: The fatigue test and the anticrack test on three simply supported-to-continuous model beams were carried out by the method of uniform cyclic loading and scaling increased load. Based on the fatigue and anticrack test results of the three model beams, the stiffness of the structure system and the change relation between strain of concrete, reinforcing steel bars and prestressed steel bars and the circles of fatigue load in the normal condition were studied. The effect of the fatigue load on the anticrack property of the key sections, especially the wet-joint sections, was investigated. The results show that the fatigue load can decrease the stiffness of the beams obviously and augment the strain of concrete, reinforce steel bars and prestressed steel bars, and it can decrease the strength of breaking of the wet-joint sections. Nevertheless the fatigue load has little effect on that of the sections of middle span and support.
Key words:fatigue; strength of breaking; simply supported-to-continuous beam; prestressed concrete 

先简支后连续桥梁是指通过采取预制简支梁构件先装配成简支梁体系,然后在中支点上通过后浇混凝土湿接缝并辅以其他工艺(如钢筋连接、张拉预应力钢筋)等措施将主梁连成整体,构成连续体系的桥梁^[1]。该结构将连续梁和简支梁的优点有机地结合在一起,特别适用于对行车平顺性要求较高的高速铁路和高速公路桥^[1-3]。铁路桥梁在运营阶段长期受到列车反复活载作用,由于活载所占比例较大,因此,必须提高其疲劳性能。带有湿接缝的先简支后连续梁结构中最薄弱部位一般为湿接缝断面,因此,必须研究湿接缝疲劳性能。目前,国内对带有湿接缝的先简支后连续梁结构的疲劳性能的研究较少^[4,5],为此,作者对3条先简支后连续模型梁的疲劳和开裂进行试验研究。

1 模型试验

1.1 模型梁设计

模型梁结构和试验加载水平依据铁道部第四设计院设计的实梁结构按应力相等原理设计。3根模型梁(编号为PL-1,PL-2和PL-3)的结构尺寸、钢筋(预应力钢筋和普通钢筋)类型与布置、试验加载水平及试验方法相同。

实梁结构分别为2跨和3跨单线结构,单跨长32 m。模型梁为2跨1个湿接缝,跨度为200cm,梁的高度为34cm,预制梁长度为190cm,后浇湿接缝段长度为20cm。模型梁结构和配筋情况如图1所示。

预制梁中预应力筋是由7根直径为5mm的钢丝组成的钢绞线,钢绞线抗拉强度标准值f_pk=1860MPa,张拉控制应力σ_con=1395MPa,在预制时张拉。湿接缝段的预应力筋采用短束方式(见图1),由于湿接缝短,为避免产生过大的回缩损失,改用直径为25mm的Ⅳ级粗钢筋,其抗拉强度标准值f_pk=750MPa,张拉控制应力σ_con=530MPa,在湿接缝段混凝土浇注完成并达到一定强度后张拉。所有普通钢筋直径为8mm,混凝土标号为C50。模型梁混凝土指标见表1。
1.2 试验方法与测点布置

试验中模型梁的加载方式为在模型梁上安放钢制分载梁,形成跨中2点等值加载。疲劳试验开始前,先完成2次有效静载试验;然后,在PEM-50A液压脉冲疲劳试验机上以5Hz的振动频率进行等幅疲劳试验,疲劳试验的加载上、下限依据实梁荷载应力幅度按应力相等原则计算确定,扣除分载梁自重后分别为:下限P_min=51kN;上限P_max=179kN。当疲劳次数分别达到5万,10万,20万,50万,100万, 150万,200万和250万时进行静载试验,所有静载试验采用分级加载,加载级别分别为51.0,76.6,102.2,127.8,153.4和179.0kN。在静载试验中测定模型梁中混凝土、预应力筋、普通钢筋的应变和结构挠度,并观测模型梁裂缝开裂情况,以分析结构在重复荷载作用下湿接缝应变和变形的变化规律,确定重复荷载对梁静力强度的影响。

(a) 模型梁半立面图; (b) 模型剖面图
图 1   模型梁结构和配筋(单位:cm)
Fig. 1   Structure and prestressed reinforcement layout of model beam

表 1   模型梁混凝土参数实测值
Table 1   Measurement data of material index of model beams

为了分析重复荷载对结构湿接缝抗裂性能的影响,在对梁进行250万次疲劳振动后,停止疲劳试验。对模型按比例加载进行开裂试验,加载至湿接缝及跨中截面开裂,卸载。
1.3 湿接缝应力水平与应力幅度

依据应力相等原理模拟所得模型梁的应力水平及应力幅度,结果如表2所示。其中,重点模拟对象为湿接缝。

表 2   模型梁关键断面应力(压为正)
Table 2   Stress of key sections of model beams

2 疲劳试验结果分析

2.1 跨中挠度与结构刚度

3根模型梁在P_max荷载下完成0,200万与250万次振动后静载的挠度实测值见表3。在不同疲劳次数作用下,3根梁的荷载—挠度(P-δ)曲线变[CM(22] 化规律相似,PL-1梁在完成0,50万,200万和250万次疲劳后的P-δ曲线见图2。

表 3   模型梁跨中挠度实测值
Table 3   Measurement deflection data in
middle of model beams

试验结果表明,当重复荷载作用250万次后,梁的挠度较静载挠度增加约9%~16%,这是因为在重复荷载作用下,混凝土的弹性模量降低,结构变形增加,符合混凝土结构的一般规律^[6]。在正常应力水平及重复荷载作用下,P-δ曲线斜率有所下降,表现为结构刚度下降。但经250万次重复荷载作用后,P-δ曲线呈良好的线性关系,表明结构仍处于良好的线弹性工作状态。

振动次数: 1—0; 2—50万; 3—200万; 4—250万
图 2   PL-1梁的P-δ关系曲线
Fig. 2   P-δ curves of beam PL-1

2.2 混凝土

图3所示为部分典型截面在正常使用荷载状态下的疲劳ε-lgN曲线(应变ε以拉为正,N为荷载次数,下同)。完成250万次疲劳试验后的应变与没有进行疲劳试验的应变比值ε₂₅₀/ε₀如表4所示。

(a) PL-2梁东边跨中截面下翼缘; (b) PL-2梁东边湿接缝截面上翼缘; (c) PL-2梁中支点截面上翼缘
荷载/kN: 1—51.0; 2—76.6; 3—102.2; 4—127.8; 5—153.4; 6—179.0
图 3   混凝土的ε-lgN曲线
Fig. 3   ε-lgN curve of concrete

由图3可见,混凝土的应变随重复荷载次数的增加而增加的趋势不明显,ε₂₅₀/ε₀在1.0附近波动,但大于1.0的(见表4)偏多。各梁跨中的ε₂₅₀/ε₀为0.975~1.130,总平均值为1.043,方差为0.072;湿接缝截面的ε₂₅₀/ε₀为0.968~1.181,总平均值为1.082,方差为0.103;中支点的ε₂₅₀/ε₀为1.081~1.128,总平均值为1.083,方差为0.055。

比较跨中截面混凝土与湿接缝段截面混凝土的ε-lgN曲线可知,两者规律上基本接近,但统计数据显示疲劳对湿接缝的影响略偏大,方差也偏大。疲劳能降低混凝土的弹性模量,使应变增加。ε₂₅₀/ε₀的总平均值的增加为弹性模量降低所致,并非结构疲劳损伤所致。因此,在正常应力水平下,250万次以内重复荷载作用不会导致结构混凝土发生疲劳破坏,疲劳对湿接缝段混凝土的影响比对预制梁的影响略大。
2.3 钢筋

表5所示为湿接缝段部分预应力粗钢筋和普通钢筋的疲劳试验测试数据。由于受测试精度等的影响,普通钢筋数据离散性略大。其应变疲劳规律与湿接缝段混凝土应变疲劳规律基本相同,在重复荷载作用下湿接缝段普通钢筋、预应力粗钢筋的ε₂₅₀/ε₀在1.0附近波动,平均增大不足3%,其增幅比混凝土的ε₂₅₀/ε₀的增幅小。可见,经250万次重复荷载作用后,3根疲劳模型梁混凝土应变片未出现过大的拉应变,混凝土未开裂,模型梁仍处于全截面工作状态,预应力和锚具全程有效,钢筋和混凝土的粘结未因为疲劳荷载作用而发生黏结退化^[7]。

表 4   模型梁中混凝土的ε₂₅₀/ε₀
Table 4   ε₂₅₀/ε₀ of concrete of model beams

表 5   模型梁湿接缝段钢筋ε₂₅₀/ε₀
Table 5   ε₂₅₀/ε₀ of steel in wet-joint of model beams

3 荷载-变形曲线与抗裂性分析

3.1 P-δ与P-ε曲线

图4所示为开裂试验中实测的3根模型梁的荷载-位移(P-δ)曲线,试验中梁体开裂首先从湿接缝截面上翼缘开始,开裂荷载见表6。由图4可以看出,梁体出现裂缝前P-δ曲线基本呈线性关系,当裂缝出现后,梁体因混凝土开裂退出工作,位移增量呈逐渐增大趋势,P-δ曲线表现出明显非线性。图5所示为PL-1梁湿接缝截面的荷载-应变(P-ε)曲线。可见,在湿接缝开裂前,湿接缝截面上翼缘混凝土和普通钢筋拉应变(拉为正)随荷载的增加基本呈线性变化;当开裂后,则逐渐呈非线性变化。而下翼缘普通钢筋的压应变在截面开裂后仍然与荷载保持线性变化。

 1—PL-1; 2—PL-2; 3—PL-3
图 4   开裂试验的荷载—位移曲线
Fig. 4   Load-displacement curves of
breaking test

1—下翼缘普通钢筋; 2—上翼缘普通钢筋; 3—上翼缘混凝土
图 5   PL-1梁西边湿接缝截面P-ε曲线
Fig. 5   P-ε curves of west wet joint of beam PL-1

3.2 抗裂性分析

从表6可以看出,设计的模型梁各典型截面的抗裂安全系数K_f均能满足K_f≥1.200的要求。预制梁跨中和湿接缝中间截面(中支点)的实测抗裂安全系数K^s_f略大于理论计算的抗裂安全系数K_f。其中,中支点截面的实测抗裂安全系数比理论抗裂安全系数大1.3%~6.1%,预制梁跨中的实测抗裂安全系数比理论抗裂安全系数大15%~20%。可见,经250万次疲劳加载后两者仍具有可靠的抗裂安全性。

在实际试验中最先开裂的部位为湿接缝截面,实测抗裂安全系数K^s_f=1.143~1.286,其最小值小于1.200,不满足《桥规》要求(K_f≥1.200),且远小于按桥规方法计算的理论值K_f,K^s_f/K_f=0.639~0.719。可见,湿接缝截面的抗裂安全性比桥规的理论值降低了很多。

表 6   模型梁各关键截面开裂荷载
Table 6   Cracking load of key sections of model beams

导致湿接缝抗裂强度降低的原因包括2个方面:

a. 湿接缝截面不牢固,截面的抗裂强度有所降低;由文献[9]可知,分段施工湿接缝处混凝土抗拉强度明显降低,其降低程度对PC,PPC连续梁的抗裂性能会具有较大影响;接缝处混凝土抗拉强度降低系数α=γ_j·f_ct′/(γ·f_ct),其中,γ_j和γ为接缝与非接缝截面考虑混凝土塑性的修正系数;f_ct′和f_ct为接缝与非接缝截面混凝土的抗拉强度。根据文献[10-12]的结果,取α=0.49,按该方法计算湿接缝截面P_j=255.35kN,则PL-1和PL-3梁接缝截面P_s/P_j=K^s_f/K_f分别为0.80和0.90。

b. 疲劳将降低湿接缝抗裂性能,其降低幅度约为10%~20%。

4 结 语

a. 疲劳明显降低结构刚度,试验实测值为9%~16%,小于规范规定的限值(20%)。

b. 疲劳荷载使梁体混凝土应变增大,特别是湿接缝的混凝土,增大4%~8%;而预应力钢筋、普通钢筋的ε₂₅₀/ε₀增加约2%,增加幅度较小。

c. 开裂试验结果表明,疲劳荷载能使湿接缝的抗裂强度,降低10%~20%。湿接缝是该类结构的薄弱环节,其抗拉强度小于非接缝截面的抗拉强度。因此,应适当提高湿接缝段特别是接缝截面的预应力水平、应力比,以提高其抗裂安全系数。

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收稿日期: 2004-08 -10

基金项目:铁道部科技司资助项目(2001G037)

作者简介:盛兴旺(1966-),男,湖南长沙人,副教授,博士,从事桥梁理论分析与设计的研究

论文联系人:盛兴旺,男,博士;电话:0731-2656868; E-mail:xwsheng@mail.csu.edu.cn