单因素耐久性退化后预应力混凝土简支梁桥的承载力分析1)

任重昕 于晓坤 苏义坤

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

白 浪

(哈尔滨工业大学)

单因素耐久性退化后预应力混凝土简支梁桥的承载力分析1)

任重昕 于晓坤 苏义坤

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

白 浪

(哈尔滨工业大学)

从影响预应力混凝土简支梁桥耐久性能的因素中，选取3个因素(初始预应力、室温循环下混凝土强度、冻融循环下混凝土强度)，运用有限元单元法对预应力混凝土简支梁桥的承载力进行分析。结果表明：初始预应力越大，简支梁的挠度也就越大；钢绞线的有效预应力越大，挠度的变化最大值越小。在室温环境下，随着使用时间的递增，简支梁梁底跨中混凝土应变呈现先减小后增大的趋势。在冻融循环下，随着荷载的增大，同一冻融循环作用下的跨中梁底混凝土的应变逐渐减小，混凝土的应变值随着冻融次数的增加而变大。

预应力混凝土；简支梁桥；结构承载力；单因素分析

长期以来，混凝土强度的研究一直受工程界的关注，但其结构耐久性方面的研究却略显不足。预应力混凝土结构的耐久性病害，会在一定程度上减少结构的使用寿命，并对结构的安全服役产生隐患[1-3]。混凝土结构的耐久性能，是指结构在其设计使用年限内，既能抵抗外部环境的侵蚀，又能阻止内部破坏的能力。许多正在服役的公路桥梁，逐渐出现了混凝土老化、结构开裂、钢筋锈蚀等病害和问题，导致钢筋混凝土桥梁未达设计使用年限，因出现一系列病害而导致结构不能正常使用[4-5]。造成这些病害的原因很多，有来自外部机动车超载，也有结构自身设计缺陷等。这些内部的病害和缺陷，都和桥梁结构的耐久性能不足有直接的关系；如何提高结构的耐久性能，已成为相关领域研究的热点之一[6-8]。本文从影响预应力混凝土简支梁桥的耐久性能因素中，选取3个因素(初始预应力、室温循环下混凝土强度、冻融循环下混凝土强度)，运用有限元单元法对预应力混凝土简支梁桥的承载力进行分析，旨在为多因素耦合研究预应力混凝土简支梁桥的耐久性能提供参考。

1 试验设计

影响预应力混凝土结构耐久性的因素很多，主要有混凝土、普通钢筋、预应力钢绞线、锚具等[5]，本文主要考查3个因素(初始预应力、室温循环下混凝土强度、冻融循环下混凝土强度)对预应力混凝土结构耐久性的影响。

试验共制作11片试验梁，尺寸为200 mm×250 mm×3 000 mm，混凝土为C40，钢绞线采用7根(直径15.24 mm)的低松弛1860级钢绞线，普通钢筋采用直径为12 mm的主筋和直径为8 mm的箍筋，具体尺寸和布筋位置如图1所示。

图1 简支梁尺寸和布筋位置示意图

本文同时制备了C30、C40、C50三种等级的混凝土试块，为标准正方体和非标准棱柱体的混凝土试块(见表1)。

2 结果与分析

2.1 不同初始预应力对简支梁跨中挠度的影响

在试验前对6片梁(编号为LX1、LX2、LX3、LX4、LX5、LX6)钢绞线应力值进行检测，通过传感器的数据计算得到各片梁钢绞线的有效应力分别为1 334、1 267、1 196、1 141、1 056、979 MPa，对应约为0.72fpk、0.68fpk、0.64fpk、0.61fpk、0.57fpk、0.53fpk(fpk=1 860 MPa)，张拉力分别为186.76、177.38、167.44、159.74、147.84、137.06 kN。

通过有限元软件建立6片预应力简支梁的数值模型，C40混凝土梁尺寸为200 mm×250 mm×3 000 mm，钢绞线采用直径为15.24 mm的低松弛1860级钢绞线。建立ANSYS模型(见图2)。

表1 混凝土试块规格及数量

图2 预应力简支梁网格划分模型

在建立的有限元模型中，在简支梁的跨中分别施加10、20 kN的集中荷载，求得简支梁的挠度、钢绞线的有效预应力、跨中处混凝土的应力(见表2)。从表2中可以得出，对于不同初始预应力的简支梁，钢绞线初始应力越大，简支梁的挠度理论值越大。对于同一个简支梁，随着集中荷载的增大，挠度值越来越小。

表2 预应力简支梁的跨中挠度理论值

与普通钢筋混凝土梁相比，预应力混凝土梁对钢绞线应力的变化更为关注。由表3可见，钢绞线的应力值随初始预应力的降低而不断减小，且呈现出一定的线性关系。

表3 预应力简支梁的钢绞线应力值

2.2 室温环境对混凝土强度的影响

到目前为止，有关混凝土强度的研究已经有很多数学模型。根据模型中的混凝土强度函数公式，本文在室温环境下，选取0、5、10、20、50、100 a，分别求得混凝土的强度时间系数，计算出各个时间点的混凝土抗压强度和对应的弹性模量(见表4)。按照表4参数进行建模，在无外荷载作用时预应力简支梁变形如图3所示。

表4 预应力简支梁混凝土强度试验结果

图3 自然状态下预应力简支梁LZ6变形图

在建立的有限元模型中，分别在跨中施加10、20kN的集中荷载，求得跨中处混凝土应力(见表5)。

表5 不同荷载作用下简支梁的跨中梁底混凝土应力值

通过表5的试验结果和每片梁混凝土弹性模量的数据进行计算后，可得简支梁的跨中梁底混凝土应变理论值(见表6)。从表6可看出，只考虑混凝土时变强度时，随着使用时间的递增，简支梁梁底跨中混凝土应变呈现先减小后增大的变化趋势。

表6 不同荷载作用下简支梁的跨中梁底混凝土应变值

2.3 冻融循环对混凝土强度的影响

本文制备C40混凝土，测定不同次数冻融循环下混凝土抗压强度的变化(见表7)。采用有限元程序建立4片预应力混凝土简支梁，钢绞线采用直径为15.24 mm的低松弛1860级钢绞线，其初始预应力为1 302 MPa，经计算可得到对应的张拉力为182.28 kN。选取在0、50、100、150次的冻融循环下的混凝土建立有限元模型，尺寸为200 mm×250 mm×3 000 mm。简支梁的建模参数见表8。

表7 冻融循环下混凝土的抗压强度

表8 简支梁的建模相关参数

在图3中建立的有限单元模型中，分别在跨中处施加10、20 kN的集中荷载，求得在两种不同集中荷载作用下简支梁的跨中处混凝土应力(见表9)。由表9可看出，在不同次数的冻融循环作用下，简支梁跨中梁底混凝土应力值的变化并不大。但随着荷载的增大，简支梁跨中混凝土应力值逐渐增大，说明与冻融循环相比，预应力混凝土所受的外界荷载值更能够对跨中梁底的应力值产生影响。

表9 不同荷载作用下简支梁的跨中梁底混凝土应力值

由表10可见，在不同荷载作用下简支梁的跨中梁底混凝土应变变化相对较大。随着荷载的增大，同一冻融循环作用下的跨中梁底混凝土的应变逐渐减小。当荷载为0时，LM4跨中梁底混凝土的应变是LM1跨中梁底混凝土的应变的1.216倍，混凝土的应变值随着冻融次数的增大而变大。说明由于冻融循环造成的混凝土等级降低，对预应力混凝土简支梁跨中梁底混凝土的承载力影响显著。

表10 不同荷载作用下简支梁的跨中梁底混凝土应变值

3 结论

当考虑钢绞线不同的初始预应力对预应力混凝土简支梁承载力的影响时，初始预应力越大，简支梁的挠度也越大。每一片梁的挠度变化值都不是相等的，钢绞线的有效预应力越大，挠度的变化最大值越小。

在室温环境下，随着使用时间的递增，简支梁梁底跨中混凝土应变呈现先减小后增大的趋势。相比之下，在冻融循环作用下混凝土强度的变化对承载力的影响大很多，主要体现在对跨中挠度的影响和简支梁的跨中梁底混凝土应力值的影响上。

在冻融循环下，随着荷载的增大，同一冻融循环作用下的跨中梁底混凝土的应变逐渐减小，混凝土的应变值随着冻融次数的增大而变大。说明由于冻融循环造成的混凝土等级降低，对预应力混凝土简支梁跨中梁底混凝土的承载力影响显著。

[1] 刘龄嘉，贺拴海，赵小星.在役混凝土简支梁有效预应力计算[J].交通运输工程学报，2005，5(3)：47-51.

[2] Naaman A E. Prestressed concrete analysis and design： fundamentals[M]. New York： McGraw-Hill，1982.

[3] Saiidi M， Douglas B， Feng S. Prestress force effect on vibration frequency of concrete bridges[J]. Journal of Structural Engineering，1994，120(7)：2233-2241.

[4] Sun W， Zhang Y M， Yan H D， et al. Damage and damage resistance of high strength concrete under the action of load and freeze-thaw cycles[J]. Cement and Concrete Research，1999，29(9)：1519-1523.

[5] Sun W， Mu R， Luo X， et al. Effect of chloride salt, freeze-thaw cycling and externally applied load on the performance of the concrete[J]. Cement and Concrete Research，2002，32(12)：1859-1864.

[6] Mu R， Miao C W， Luo X， et al. Interaction between loading, freeze-thaw cycles, and chloride salt attack of concrete with and without steel fiber reinforcement[J]. Cement and Concrete Research，2002，32(7)：1061-1066.

[7] Jacobsen S， Gran H C， Sellevold E J， et al. High strength concrete-Freeze/thaw testing and cracking[J]. Cement and Concrete Research，1995，25(8)：1775-1780.

[8] 范立础.桥梁工程安全性与耐久性：展望设计理念进展[J].上海公路，2004(1)：1-8.

Single-factor Analysis on Capacity of PC Simply Supported Beam Bridge after Durability Degradation/

Ren Zhongxin, Yu Xiaokun, Su Yikun

(Northeast Forestry of University, Harbin 150040, P. R. China);

Bai Lang

(Harbin Institute of Technology)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-109～111

We chose three key factors (initial pre-stress, strength of concrete at the room temperature and freeze-thaw cycles) affecting the durability of concrete to analyze the capacity of prestressed concrete simply supported beam bridge by the finite element methods. The deflection of simply supported beam has the same variation with the initial pre-stress, and the effective prestress of strand has the opposite change with the max value of deflection. At the room temperature, the strain of concrete at the mid-span of the bridge decreases first, and then increases. In the freeze-thaw cycles, with increasing of the load, the strain decreases gradually. The strain increases with number increase of freeze-thaw cycles.

Prestressed concrete; Simply supported beam bridge; Capacity structure; Single-factor analysis

1) “十二五”国家科技支撑项目(2012BAJ19B00)。

任重昕，女，1977年9月生，东北林业大学土木工程学院，工程师。E-mail:renfish2002@ yeah.net。

U446； U441

收到日期：2013年12月31日。

责任编辑：张 玉。