带有预制板的连续组合截面箱梁桥在体外预应力作用下的非弹性行为外文翻译资料

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带有预制板的连续组合截面箱梁桥在体外预应力作用下的非弹性行为

Hyung-Keun Ryu a, , Chang-Su Shim b , Sung-Pil Chang a,

Chul-Hun Chung ca

Department of Civil Engineering, School of Civil, Urban and Geosystem,Seoul National University, San

56-1, Shinlim-Dong, Kwanak-Gu, 151-742 Seoul, South Korea

b

Department of Civil Engineering, College of Construction Engineering, ChungAng University,

Ansung 456-756, South Korea

c

Department of Civil and Environmental Engineering, Dankook University, Seoul 140-714, South Korea

Received 30 May 2003; received in revised form 20 September 2003; accepted 25 September 2003

摘要：

对于带有预制板的连续组合截面桥，有必要引入预应力来保证桥面的开裂性能。因为在负弯矩区由于内部或体外预应力的存在而有复杂的应力分布，桥的受弯性能需要通过实验来评估。在施加两种不同预应力即剪力连接前的内部预应力和剪力连接后的体外预应力的（20 20）m跨经的带有预制板的连续箱梁桥上进行静态实验。研究这个模型的静态行为来评估开裂后的受弯性能和极限强度。简单的塑性分析被提出用来评估连续桥的极限弯曲应力。对负弯矩区的混凝土桥面的加筋效果的影响和体外预应力增量也进行了研究。

关键词：连续箱梁桥、预制板、非弹性行为、体外预应力、极限强度、简单塑性分析、预应力增量

1. 引言

因为预制板组合箱梁桥施工方便经济实惠，故它被认为是一种非常有竞争力的结构形式。板梁之间的剪切连接和预制板之间的横向连接需要特别注意。此次研究中，预制板的横缝之间除含有纵向内筋之外无其他类型的钢筋。从之前的经验研究来看，结果表明预制桥面承插柱的抗剪承载力与其横截面成正比，且随着桥面铺装层的厚度增加而减小。带有预制板的组合梁中的剪切连接在静态和疲劳荷载下的的表现也被确定。横缝之间无钢筋的预制板需给与特别的注意；板的设计应防止在使用荷载下出现接头开裂和渗漏。而且有必要去观察非弹性范围节点的行为如裂缝分布、拉伸加筋效应、屈服和极限强度。

狄辛格在1949年提出要给连续钢桥施加预应力。连续钢桥的预应力被用来得到钢材上的经济和防止混凝土桥面的裂缝发展。对于预应力钢桥的设计而言评估预应力损失是很重要的，因为其损失是很大的。因此预制板的优点应该在预制桥梁经济建设的设计中给予考虑。在预制板连续桥中，在剪切连接后施加预应力是必要的，预应力可通过降低中间支撑的高度和体外预应力得到；为了保证剪力袋后的足够的压应力，因为仅由在剪力连接前施加的内部预应力筋所产生的预应力可能不能在负弯矩区的混凝土桥面和节点上产生足够的压应力。本文考虑了两种不同的预应力方法:剪连接前的内部预应力和剪连接后的外部预应力。摘要对20-20米跨连续组合箱梁桥采用两种预应力方法进行了静力试验。这两种预应力方法对控制工作荷载作用下的负弯矩区板坯的拉应力是非常有用的。认为两种预应力方法均可获得良好的使用性能。满足使用极限状态的桥梁也应进行极限强度评估，以确定极限状态。对模型的静态行为进行了研究，以评估开裂后的弯曲行为和极限强度。研究了负弯矩区混凝土桥面受拉加固效果和体外预应力增量。在此基础上，建立了钢筋混凝土预应力计算公式。直至破坏，确定全剪力连接的实现，并进行简单塑性分析，计算连续桥梁的极限承载力。根据这些结果，可以确定正弯矩区和负弯矩区极限状态的组合截面。

因此，本研究的结果可望对连续组合的极限状态设计有一定的参考价值。

1. 静力试验

2.1试样

中跨桥梁的试验样本研究表明，组合箱梁是一种有吸引力的结构形式。可以考虑两种不同类型的箱梁——一种是制作完全封闭的钢箱，另一种是制作开放的“U”形截面。对于这两种情况，箱形截面可以是矩形的，也可以是梯形的。由于避免了浇筑混凝土的模板，预制楼板可以有效地应用于开顶钢箱梁桥。在本试验研究中，我们用预制板建造了一座连续的梯形“U”型组合箱梁桥。模型跨度为20-20米。在负弯矩区引入外部预应力。说明了甲板的合成部分和细节。

图1. 测试试样. (a) 截面尺寸 (b) 预制板, (c) 型钢 (d) 钢主梁的立面图(e) 外部预应力筋的锚固

如图所示，钢梁的三个截面通过高压螺栓连接在拐点处。1 d。预制甲板板厚150毫米，有三个用于螺柱连接器的剪切口袋(图1b)。16毫米螺柱剪切连接器焊接在510毫米间距为一个全剪切连接。

图2.制作过程（a)纵梁上安装桥面板 (b)横向接缝处浇筑砂浆 (c)张拉内部预应力筋 (d)承托处浇筑砂浆, (e) 张拉外部预应力筋

图中纵向预应力在剪切连接前采用5根直径15.8 mm的跨筋。纵向和纵向加强筋均焊接，以防止挠曲破坏前的屈曲破坏(图1c)。为了观察预制桥面系统的连续桥梁的非弹性行为，为了防止局部屈曲的影响，在最终状态下，法兰和腹板的截面等级被选择为EUROCODE 4[3]中的所有等级1。两个外腱在剪切连接后被张紧(图1e)。

• 1. 制作过程

图2展示制作过程。首先将预制板置于开顶钢箱梁(a)上，在钢管中插入内筋，在横向缝中填入抗收缩砂浆，然后用内筋对板进行预应力。在此之后，剪切袋被填入砂浆以实现复合作用。最后，负弯矩区域的组合截面为预应力，截面(e)的中轴以上为体外筋。

• 1. 加载和测量

在每个跨中施加集中荷载并进行测量。采用闭环电液试验系统，如图3所示通过静力试验研究了模型的弹性和非弹性行为。

连续梁桥的位移用LVDT在跨中测量，钢梁和混凝土板之间的相对位移(卡瓦)也测量(图4)。开裂后，用欧米茄测量仪测量裂缝宽度。为了确定预应力的变化，两个测力元件被安装在外张预应力筋的锚固处。

图

图3. 试验加载.

图 4. 测量

2.4材料性能

型钢、混凝土和砂浆的材料性能分别列示表1和表2。如前期研究[11]所述，在实际施工现场，为了保证砂浆质量，填充材料的压缩性应高于预制混凝土，以保持相同的弹性模量。

预制桥面桥梁填筑材料的质量控制是预制桥面桥梁设计的重要内容。试验中，砂浆的抗压强度高于要求的强度。

1. 非弹性行为

在加载弹性范围内的静态试验中，正截面的弯曲刚度表现为线性弹性行为，如[14]所示。在[14]试验中，观察了试件的弹性性能和开裂荷载。此外，由于板的裂缝是一个非常重要的问题，考虑到耐久性和适用性，对预制桥面桥梁的裂缝控制进行了探讨。本文研究了复合材料截面和体外预应力筋的非弹性行为。

3.1剪切连接度

在测试样本中，安装剪切连接是为了实现全剪切连接。螺柱剪力连接的极限强度由公式(1)确定，公式由Jong Hee Kim等人提出的[5]。

Pd =alpha;(0.36Ash 18.71) （1）

alpha; = 1 - 0.0086(bh - 20)

剪力连接的极限强度为Pd，剪力连接的螺柱面积为Ash(mm2)，层理厚度为bh。为了实现全剪切连接，剪切连接的强度(定义为剪切跨中剪切连接的强度)和全剪切连接所需的强度的比例应高于单位。

（2）

式(1)计算了剪力跨距下的Psh，式(1)为混凝土板或钢梁在全截面塑性弯矩下的水平力。

根据式(2)，剪切连接的程度估计比单位高，然后在测试结果中，在大约1mm处测量最大卡瓦，直到极限荷载。从这个结果可以看出，剪切连接不会达到极限荷载状态[5];因此，可以期望试验方法能得到复合材料截面的全塑性弯矩。试验的最大荷载大于全复合断面假定的极限荷载。因此，我们可以得出结论:Eqs。(1)、(2)对剪力连接极限强度和剪力连接度进行了有效的估算，得到了完整的剪力连接。

3.2裂缝

内部支架的横向连接处发生初始开裂;裂纹载荷大于[14]。随着荷载的增大，裂缝按图5中所示的方式扩展和分布。 裂缝最初集中在节理处，后来扩展到甲板上(图5)。在该图中，S14的甲板位于内部支撑上方.

Fig5中CR1-4是裂缝宽度测量仪，利用它们可以观察到如图6所示的弯矩-裂缝宽度关系。在横关节点测量的CR3和CR4的曲线的斜率在825KN·M发生改变。这个弯矩稍稍低于破裂弯矩1025KN·M因为在裂缝出现后荷载被重新加载.在弯矩范围内，弯矩与裂缝宽度的关系几乎是线性的。

图5内支点处附近的裂缝分布 (unit: kN).

CR3和CR4的裂纹宽度比CR1和CR2的裂纹宽度大，这可能是由于甲板与节点之间的配筋率不同造成的.

3.3非弹性弯曲行为

在弹性荷载为180kn时，正弯矩区和负弯矩区实测截面应变分布与基于伯努埃尔-欧拉bea m理论计算的截面应变分布基本一致，如图7所示。

图6. 弯矩与裂缝宽度之间的关系.

图 7. 截面应变分布. (a) 最大正弯矩区的应变分布, (b) 最大负弯矩区的应变分布.

在开裂后的加载过程中，由于纵向内部预应力图的存在阻止了裂缝更早的出现，中轴在两弯矩区几乎没有变化。但是，当载荷高于开裂载荷时，中性轴向下进入如图7所示的负相区。

随着荷载的增大，负弯矩区裂纹扩展，复合材料截面成为忽略混凝土部分的开裂截面。负弯矩截面的荷载中性轴关系如图8所示。

图8. 中和轴的移动.

在弹性范围内的初始中性轴几乎与未开裂截面相同。随着荷载的增大，中性轴向裂缝段轴线移动，但在梁屈服后，中性轴向无明显变化.这说明负弯矩区复合截面并非完全开裂，部分混凝土截面由于受拉加劲效应而有效。

3.4 外部增加力量

体外预应力在体外荷载作用下，体外预应力逐渐增加。当梁的材料在弹性范围内时，利用式(3)[6]可以很容易地计算出增量预应力。但是，如果材料超出了弹性范围，则应考虑材料的非线性和非弹性。在负弯矩区发生开裂时，混凝土的增量预应力比弹性范围内的预测值要高，因为开裂对混凝土的性能影响不大。实验中荷载与增量力的关系如图9所示。

图9. 荷载-预应力增量关系图

开裂前，根据公式4计算体外筋的增量力。为了便于计算增量力，连续梁可以用图10中等效跨径的简支梁代替。

（3）

（4）

图10. 用等效简支梁的概念计算预应力增量

其中E为结构钢的弹性模量，I为复合截面的惯性矩，M为外荷载弯矩， e为外筋到复合截面中性轴的距离，l为简支梁的跨度，为外筋的弹性模量，At为外筋的截面积，A是复合截面的面积，为带裂缝截面的等效惯性矩，为破裂面的面积，为外筋到破裂面中性轴的距离。

在图9中用提出的方程（3）（4）可以很好地估计试验中的增量力。开裂前预应力增量较小，开裂后预应力增量增大，增量大小与计算值接近，式(4)考虑开裂截面。当荷载超过1000kn时，认为钢梁开始屈服。

3.5 极限行为

对S14型桥面纵向钢筋在内支撑孔上的应变进行了测量，其荷载-应变关系如图11所示。在梁破坏前，钢筋连续变形，证实了桥面钢筋的张拉加筋作用。因此，在极限状态下，纵筋在横缝处不连理，预制板组合桥梁的开裂截面应包括纵筋面积。

载荷曲率曲线如图12所示.由于下法兰的屈服，正截面A和C的刚度在1000kn以上发生了变化。由于板的开裂和梁的屈服，负截面B的刚度发生了变化。根据欧洲规范4[3]，将试验模型的正弯矩区和负弯矩区截面类别视为第1类，因此可以在不发生局部屈曲的情况下达到截面阻力并保持塑性弯矩。在图13中负弯矩区屈服稍晚于正弯矩区。在未开裂截面的弯矩分布中，负弯矩大于正弯矩，但由于开裂，开始出现弯矩重分布，开裂截面的负弯矩低于未开裂截面。在最大荷载约为1200 kN时，如图13所示试验中几乎所有的复合断面都达到塑性状态。然而在钢梁截面上没有达到应变硬化。试验过程中未观察到梁腹板或法兰的任何局部屈曲。

如图14所示，混凝土板的截面应变未达到极限压缩应变。然而，如图15所示混凝土板的抗压

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