预应力高强轻骨料混凝土连续刚构桥的试验研究

黄盛楠 刘英奎 叶列平 孙海林 冯鹏 陆新征

(清华大学土木工程系,北京 100084

工程力学/Engineering Mechanics, 24(sup.I), 2007, 134-140

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摘要:强度等级在CL40以上的高强轻质混凝土(HSLWC)应用于大跨度桥梁结构,具有减轻自重,有效降低结构内力,增大跨度,减少桥墩数量等优点。本文以云南安宁至楚雄高速公路14号达连坝段公路桥为原型,按照1/4比例设计了一个3跨预应力高强轻骨料混凝土连续刚构桥,其桥面结构采用CL50混凝土,进行了多种荷载工况的试验研究。结果表明,预应力高强轻骨料混凝土连续刚构桥具有较好的受力性能,1倍和1.5倍等效车队荷载通过时,各项指标均满足规范要求;2倍等效车队荷载通过时,部分指标不满足使用要求,但桥梁表现出了较好的延性;在严重超载情况下,桥梁虽破坏严重,但仍可保持较好的承载力水平且不会发生跨塌。

关键词:刚构桥;模型试验;高强轻骨料混凝土;预应力;残余变形

中图分类号:TU375  文献标识码A

Experimental Study on Prestressed High-strength Light-weight Concrete Continuous Rigid Frame Bridge

HUANG ShengnanLIU YingkuiYE Lieping SUN HailinFENG PengLU Xinzheng 

(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

AbstractHigh strength light weight concrete (HSLWC) (with a cube strength higher than CL40) has a bright future in the application of large-span bridges for its obvious advantages. It can reduce the self-weight of the bridge, so that the internal stress will be smaller, the span will be larger and the number of piers will be reduced. An experimental research on a 3 span prestressed continuous rigid frame model bridge with a superstructure made up with CL50 HSLWC is presented in this paper. The archetype of the bridge model is located in the 14th construction section of the highway connects Anning and Chuxiong in Yunnan province. The model bridge was designed by the scale of 1/4 and was tested under 10 different load cases. The test results showed that the prestressed HSLWC continuous rigid frame model bridge had good mechanical performance. Under a traffic load which was 1.0 to 1.5 times to its design load, all indices of the bridge model can satisfy the requirement of design standard. And under 2 times of design load, parts of indices were beyond the standard requirement but the bridge still showed good ductility. And under very large overload situation, the bridge was damaged seriously but it still can maintain the load capacity and would not collapse.

Key wordsrigid frame bridgemodel experimenthigh strength lightweight concreteprestress residual deformation

高强轻质混凝土(HSLWC)指采用高强轻骨料(主要是陶粒)配制的强度等级在CL40以上的轻骨料混凝土,其表观密度为1600kg/m31950kg/m3,比相同强度等级的普通混凝土轻25%30%,应用于大跨度桥梁结构,可以有效减小结构自重,增大桥梁跨度,减少桥墩的数量,降低基础处理的费用,而且对于地震区,可以降低地震作用,具有显著的综合经济效益[1-5]

到目前为止,北美用LWC建造了800多座桥的桥面[6],其中绝大部分为桥面板的新建或翻修。近十年来,挪威在大跨桥梁工程应用HSLWC方面发展迅速,成为世界上应用最先进的国家之一[7]。从1966年开始,我国先后建成了32座跨度在16.021.4m的中、小跨度公路桥,既有钢筋轻骨料混凝土桥梁,还包括少量的预应力轻骨料混凝土桥梁[8]

目前,我国轻骨料混凝土强度普遍较低,缺乏HSLWCCL40)的相关研究资料和工程应用经验。为推动HSLWC在桥梁工程的推广应用,交通部西部科研项目《轻质混凝土用于大跨径桥梁的研究》专门对HSLWC在桥梁中的应用进行了研究。本文以云南安宁至楚雄高速公路14号达连坝段公路桥为原型,按照1/4的缩尺比例设计了一个3预应力高强轻骨料混凝土连续刚构桥模型试验,模拟车队荷载对各种工况进行加载试验,考察其受力性能和使用性能,为高强轻骨料混凝土桥梁的工程应用提供依据。

1         试验概况

云南安宁至楚雄高速公路14号达连坝段公路桥见图1,设计荷载为汽-20[9],桥上部结构采用预应力高强轻骨料混凝土的箱形截面,按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTJ 023-85[10]设计。

根据试验场地条件,模型桥按1/4缩尺比例制作,同时为便于制作,将截面简化为工字形,布置有一根屈服强度fy1820MPa的预应力钢绞线,为与实际结构吻合预应力筋采用曲线布筋(见图2d)。轻骨料混凝土的应力应变关系采用王振宇用同样骨料的轻骨料混凝土试验后得到的修正曲线[11]如图3a所示,峰值应变建议取为2500με;预应力钢筋及普通钢筋的实测应力应变曲线见图3b~图3d,相关材料实测强度值参见表1

根据相似比例,模拟桥制作完成后,进行预应力张拉,经过一段时间的预应力损失后最终获得的有效预应力为170kN。同时为保证模型桥与原桥处于相同的受力状态,设置3kN/m配重以模拟桥梁在自重下的实际应力状态,然后再施加荷载进行试验。

1 模型桥试验材料参数

Table 1 The material test parameters of the model bride

轻骨料混凝土

钢筋屈服强度fy/MPa

抗压强度f/MPa

弹性模量/MPa

Ф10

Ф12

钢绞线7Φ15.2

52.55

2.27×104

342

400

1820

本试验共有5个加载点,其中中间跨3个加载点,两边边跨各1个。将汽-20级车队按照相似比等效为3点集中荷载,等效后的单点荷载为25kN(本文以下均以单点荷载值表示)。加载时,为了模拟桥梁在实际使用中的车队移动荷载,将3个千斤顶从南到北依次组合模拟车辆荷载进行分级加载,最后5个千斤顶同时加载直至破坏。整个加载分为4种工况,见图4试验加载过程如下:

(1)   模拟桥梁正常使用及轻度超载情况,依次按照工况abc加载,最大荷载相当于1.5倍标准汽-20级车队的等效荷载,即最大单点荷载为37.5kN

(a) 原型桥

(a) 原型桥

        图1 原型桥梁及其截面        图1 原型桥梁及其截面

                     (b) 断面1                                    (c) 断面2

1 原型桥梁及其截面

Fig.1 The original bridge and sections

(a) 模型桥梁轮廓及位移计布置位置示意图

(a) 模型桥梁轮廓及位移计布置位置示意图

模型桥 模型桥

(b) 断面1                    (c) 断面2

模型桥

(d) 预应力筋布置

模型桥

Fig.2 The model bridge

(a) 轻骨料混凝土应力应变关系

(a) 轻骨料混凝土应力应变关系

(b) 预应力钢筋应力应变关系

(b) 预应力钢筋应力应变关系

(c) 直径10mm钢筋应力应变关系

(c) 直径10mm钢筋应力应变关系

(d) 直径12mm钢筋应力应变关系

(d) 直径12mm钢筋应力应变关系

3 材料材性试验结果

Fig.3 The material test results

(2)   模拟桥梁严重超载情况,依次按照工况abc加载,最大荷载相当于2倍标准汽-20级车队的等效荷载,即最大单点荷载为50kN

(3)   按工况d加载直至破坏,该加载过程分为4个荷载步:正常使用(单顶最大荷载37.5kN)、严重超载(中跨跨中挠度28.3mm1/300L)、严重损坏(中跨跨中挠度60mm1/135L108mm1/75L)、最终无法继续加载。

整个加载过程如表2所示,每个荷载步单顶荷载加至预定最大荷载值或位移值后卸载,再进行下一个荷载步。实际加载过程中,考虑结构的对称性以及方便加载操作,将荷载步4与荷载步6对调。

图4 加载工况图

4 加载工况图

Fig. 4 Load cases

2 试验加载方案

Table 2 Load scheme

荷载步

加载工况

加载控制

(荷载控制或位移控制)

桥梁的工作状态

1

A

单顶荷载加到37.5kN,相当于1.5倍车辆荷载

正常使用

2

B

3

C

4

A

荷载步5顶荷载加到50kN,相当于2倍车辆荷载,荷载步46单顶荷载加到55kN

超载

5

B

6

C

7

D

单顶荷载加到37.5kN

正常使用

8

跨中位移为28.3mm(跨度的1/300

超载

9

跨中位移为60mm(跨度的1/135

跨中位移为108mm(跨度的1/75

严重破坏

10

严重破坏

11

加载到破坏

最终破坏

2         试验结果

2.1    正常使用和1.5倍超载试验

加载步1:按工况a加载。在正常使用荷载作用下(25kN),桥梁没有出现裂缝,中跨跨中挠度3.66mm;在轻度超载下(37.5kN),中跨跨中梁底出现0.05mm的微小裂缝,但荷载-位移曲线仍基本为一直线,中跨跨中挠度4.75mm,卸载后残余变形很小,中跨跨中仅为0.15mm(见图5a),且由于预应力筋的作用,裂缝闭合;在该荷载工况下,左边跨跨中产生向上的位移(见图5b)(注:位移计以向下为正)

加载步2:按工况b加载。在正常使用荷载作用下(25kN),没有裂缝重新出现,中跨跨中挠度5.30mm;轻度超载时(37.5kN),中跨跨中梁底最大裂缝宽度为0.1mm,中跨跨中挠度12.48mm;在22kN时,两侧梁端翘起,脱离支座,使结构受力模式发生改变,从而使整体刚度降低,荷载位移曲线出现拐点。卸载后在预应力筋的作用下,裂缝部分闭合,残余变形为0.65mm(见图5a);在该荷载工况下,边跨跨中向上的位移更加明显(见图5b)。

加载步3:按工况c加载。由于在上一荷载步

(a)中跨跨中挠度(位移计4)

(a)中跨跨中挠度(位移计4)

(b)左边跨跨中挠度(位移计2)

(b)左边跨跨中挠度(位移计2)

5 荷载步13荷载-挠度曲线

Fig. 5 Load-deflection from load step 1 to load step 3

中裂缝的开展,使桥梁的刚度有所降低,在正常使用荷载下(25kN),中跨跨中挠度3.98mm,在轻度超载下(37.5kN),中跨跨中挠度6.10mm,但卸载后裂缝部分闭合,中跨跨中残余变形几乎没有增加(见图5a);在该荷载工况下,虽然左边跨有加载点,但左边跨跨中仍是向上的位移,其最大位移值比荷载步1小(见图5b)。

以上试验结果表明,在正常使用荷载下,模型桥在不同荷载工况作用时的裂缝和挠度均满足规范要求;在1.5倍设计荷载的轻微超载下,模型桥梁在不同荷载工况下已出现微小裂缝,仍满足规范要求的正常使用范围,但在荷载多次作用后,桥梁刚度有所降低,产生累积损伤,残余变形也有所增加。

2.2         严重超载试验

加载步4:按工况c加载。加载至25kN时,最大裂缝宽度0.1mm,中跨跨中挠度4.13mm;加载至50kN时,最大裂缝宽度0.15mm,中跨跨中挠度9.50mm(图6a),卸载后残余变形增大至0.82mm,左边跨跨中产生向上位移(图6b)。

(a)中跨跨中挠度(位移计4)

(a)中跨跨中挠度(位移计4)

(b)左边跨跨中挠度(位移计2)

(b)左边跨跨中挠度(位移计2)

6 荷载步46荷载-跨中挠度曲线

Fig.6 Load-deflection from load step 4 to load step 6

加载步5:按工况b加载。加载至20kN时,两端梁端翘起,荷载-位移曲线出现拐点。随着荷载的增加,达到40kN时,右侧柱顶外侧钢筋屈服,荷载-位移曲线再次出现拐点。本荷载步最大裂缝宽度0.25mm,卸载后残余变形增大至2.13mm,已出现明显损伤。

加载步6:按工况a加载。加载到25kN时,最大裂缝宽度0.1mm,中跨跨中挠度5.74mm;加载至50kN时,最大裂缝宽度0.2mm,中跨跨中挠度14.1mm(约为跨度的1/601),卸载后残余变形为2.38mm。本荷载步的挠度和裂缝宽度都大于荷载步4,且卸载后残余变形大于最不利工况的加载步5,说明结构损伤进一步加大。

以上试验结果表明,在2倍设计荷载的严重超载情况下,模型桥的裂缝宽度和挠度都超过了规范的正常使用限值,且存在严重的损伤。但在严重超载后,如桥梁继续正常使用(不发生超载),裂缝宽度和挠度仍能满足要求。

(a)中跨跨中挠度(位移计4)

(a)中跨跨中挠度(位移计4)

图7 荷载步7~11荷载-跨中挠度曲线

(b)左边跨跨中挠度(位移计2)

7 荷载步711荷载-跨中挠度曲线

Fig.7 Load-deflection from load step 7 to load step 11

2.3    破坏加载试验

加载步711:按工况d加载。加载步7,最大荷载时中跨跨中挠度10mm,中跨跨中梁底裂缝宽度0.3mm;在此后的加载步中,裂缝不断开展,钢筋陆续屈服,结构刚度不断降低,裂缝不断开展,在80kN时,中跨跨中梁底钢筋出现屈服,桥梁刚度显著降低,荷载-位移曲线出现水平段,中跨梁根部混凝土破坏严重,出现贯通的裂缝,但由于预应力筋的存在,把各部分混凝土连接在一起,因此并未出现整体垮塌,仍能保持继续承载的能力,荷载位移曲线仍显示出上升的趋势,卸载后存在较大的残余变形(见图7a)。继续加载后,在100kN时,两个柱的柱顶右侧钢筋屈服,在104kN时,左侧柱底内侧钢筋屈服。随着荷载的增加,左边跨跨中的位移由向上变成向下,最终产生向下的残余变形(见图7b)。

为了进一步说明桥梁的受力性能,图8和图9分别给出了相同加载工况的不同荷载步的中跨跨中挠度曲线对比。

如图8所示,荷载步1和荷载步6的加载工况相同,但因中间经过多次加卸载,桥梁存在较大的残余变形和损伤,两个荷载步的加载曲线已不重合,但在荷载不超过37.5kN的范围,桥梁刚度降低并不显著;荷载步4与荷载步3的加载工况相同,荷载步4在荷载步3后马上进行,因此两者的加载曲线在初期完全重合。

荷载步5与荷载步2的加载工况相同,尽管经过中间的加载工况使桥梁产生一定残余变形,但初期刚度仍基本一致(见图9)。

各荷载步桥梁的中跨跨中挠度和残余变形,以及最大裂缝宽度汇总于表3

图8 荷载步1、3、4、6荷载-跨中挠度曲线

8 荷载步1346荷载-跨中挠度曲线

Fig.8 Load-deflection at the middle span in load step 1, load step 3, load step 4 and load step 6

3 中跨跨中挠度、残余变形及裂缝宽度

Table 3 The deflection, residual deformation and crack width

1Pk

(25kN)

1.5Pk

(37.5kN)

2Pk

(50kN)

3Pk

(75kN)

4Pk

(100kN)

残余变形

/mm

L/f

wmax

/mm

L/f

wmax

/mm

L/f

wmax

/mm

L/f

L/f

1

2322

 

1789

0.05

       

0.15

2

1605

 

681

0.1

       

0.65

3

2136

 

1394

0.05

       

0.66

4

2058

0.1

   

895

0.15

   

0.82

5

1051

0.1

   

239

0.25

   

2.13

6

1480

0.1

   

601

0.2

   

2.38

7

1251

0.2

   

857

0.3

   

2.43

8

1213

0.2

   

625

 

321

 

4.89

9

788

     

438

 

302

 

26.35

10

257

     

200

 

160

75

66.54

11

114

     

101

   

79

 

注:Pk为设计车队荷载,Pk25kNL为中跨跨度,L8.5mf为中跨跨中挠度;wmax为中跨最大裂缝宽度。

图9 荷载步2和5荷载-跨中挠度曲线

9 荷载步25荷载-跨中挠度曲线

Fig.9 Load-deflection at the middle span in load step 2

and load step 5

3       结论

本文通过预应力高强轻骨料混凝土刚构桥模型的试验研究,得到以下结论:

(1) 在正常使用荷载下(1倍和1.5倍等效车队荷载),桥梁的挠度和裂缝宽度都能满足规范正常使用的要求,且卸载后在预应力的作用下,裂缝能够闭合,残余变形小;

(2) 在严重超载情况下(2倍等效车队荷载),裂缝宽度和最不利荷载工况下的挠度都已超过规范正常使用的要求。但在经历严重超载后,如仍控制荷载在正常使用范围内,桥梁依然能够满足规范规定的要求;

(3) 在严重超载直至破坏的过程中,尽管桥梁局部混凝土已经严重破坏,但由于预应力钢筋的整体拉结作用,桥梁并未出现整体的垮塌,表明预应力混凝土刚构桥梁具有较好的整体承载能力,可以避免整体垮塌事故的发生;

综上所述,根据现行规范设计的预应力高强轻骨料混凝土刚构桥能够满足预期的使用要求,具有较好的综合经济性能。

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