箱梁配筋率对体外预应力加固效果的影响

张超群

摘要：为了研究箱梁配筋率对体外预应力加固效果的影响，本文建立了6根体外预应力加固箱梁的空间有限元模型。对比研究了配筋率对模型梁跨中截面在预应力作用下弯矩、位移、应力的影响规律。试验结果表明：随着非预应力筋配筋面积的增加，梁体的弯矩变化1.3%，位移和截面应力分别变化21.3%和36.6%。增加配筋率可以有效的提高梁体刚度，使裂缝均匀分布、发展，并能够提高加固梁体在极限状态下的抗弯承栽能力。

关键词：体外预应力；配筋率；承栽力

中图分类号：U445.72文献标识码：A文章编号：1674-3024（2017）02-0063-02

前言

20世纪90年代以来，我国交通事业发展迅速，桥梁结构进入一个全面发展的阶段。但由于各种原因，如设计规范标准过低、车辆超限超载、施工质量不严、钢筋锈蚀等原因，许多桥梁在运营一段时间后就出现了不同程度的病害，如结构老化、破损，梁体跨中下挠，腹板混凝土裂缝，底板混凝土开裂等，从而导致结构承载力下降，桥梁的安全性、适用性和耐久性难以保证。为了保证桥梁的工作性能，必须对其进行加固。体外预应力加固桥梁能够有效的恢复桥梁的工作性能。

影响体外预应力加固桥梁工作性能的因素很多，主要有钢筋配筋率、体外预应力筋面积、跨高比、体外索布置形式等。近几十年来，国内外研究者针对梁的弯曲性能进行了大量的试验研究，为人们增进对体外预应力混凝土梁的了解作出了巨大贡献，目前各国规范使用的体外预应力筋极限应力增量公式都是在这些试验研究基础建立起来的。然而限于实验条件，绝大部分试验梁为跨长5m左右的矩形简支或者连续梁，这与实际工程中的预应力梁存在较大差别，并且试验过程本身不可避免会存在各种原因引起的误差。采用数值分析方法来模拟梁的弯曲性能则能有效克服试验研究的缺陷与不足。

1.用于参数研究的体外预应力箱梁概况

本文以非预应力筋面积As为研究对象，主要研究配筋率对体外预应力加固箱梁的弯曲性能的影响。本文设计了如图1-1所示的箱梁模型，全桥长3×30m，体外预应力束的束型采用三折线型布束方式，中跨三分点处设置两道横隔板式转向块，箱梁桥面宽度10m，底板宽5m，腹板厚0.5m，截面高度2m，由于连续梁支座截面弯矩较大，故在支座处采用实腹式截面，具体构造见图1-2，图1-3。截面上部配有面积As=152em²的受压区构造非预应力筋，到梁顶距离a=45mm。d=15.2mm钢绞线，公称面积139mm²，标准强度fnk=1860Mpa，弹性模量E.=1.95×10⁵Mpa。普通钢筋：HRB235、HRB335钢筋标准应符合GBl3013-1991和GBl499-1998的规定。凡钢筋直径小于等于12mm，均采用HRB335热轧带肋钢；采用R235钢，钢板应符合GB700-88规定的Q235钢板。锚具：预应力锚具采用符合国际后张法预应力混凝土协会FIP标准的I类锚具，其锚固效率系数大于95%。

根据需要的研究参数，本文设计了6个系列的体外预应力加固箱梁模型，各系列的梁及其具体参数值汇总于表1-1。

2.非预应力筋配筋率对梁弯曲性能的影响

以受拉区非预应力筋面积As为变量，As分别从0到1800cm²不等，钢筋面积As，跨中弯矩M，位移δ，应力σ的值列于表1-2。

从表中可以看出，随着非预应力钢筋配筋率的增加，预应力在跨中截面产生的弯矩有微弱增加，从2322.8kNom逐步增加到2353.4kN·m，增幅为1.3%。这是因为非预应力筋面积增加，梁的刚度增大，预应力筋在初始预应力作用下弹性回缩值减少，即弹性回缩损失值减少，增加配筋率可以减少预应力钢束的损失，但是效果不是很明显。

图1-4给出了预应力荷载作用下含有不同As梁的边跨跨中位移曲线。在预应力荷载作用下，14、L5、L6的边跨位移曲线变化较为平缓，L1-6梁体均有微小反拱，反拱值在4.18mm-5.07mm之间。从图1-4中可以看出，IJl反拱值为5.07mm，L2反拱值4.92mm，梁L2与L1配筋面积相差150cm²，反拱差0A5mm，梁L2与L6配筋面积差值1650cm²，反拱差为0.74mm，由此可见，反拱值与配筋率的变化并不是线性关系，但是配筋率对截面的反拱影响是明显的，L1和L6的反拱差值可达到21.3%。另外，二次效应是影响体外预应力加固效果的一个重要因素，梁体在预应力作用下产生较大的反拱值，当梁体在正常试用阶段必然也会产生较大的挠度，由于挠度过大引起的二次效应将会对加固效果产生极为不利的影响。

含有不同As的箱梁在预应力荷载作用下的中跨跨中顶板应力曲线以及底板应力曲线分别如图1-5、图1-6所示。如图1-5所示，当箱梁顶板配置一定量的非预应力受拉钢筋，顶板混凝土产生分布比较均匀拉应力，L1拉应力为489.2kN/m²，L2-L6拉应力有一定程度的减少，L6拉应力为445.3kN/m²，差值为43.9kN/m²，变化幅度为9.8%，与底板混凝土受力分析相比，说明顶板配置一定数量的非预应力受力钢筋，可以有效分布预应力产生的拉应力，减少顶板厚度，减轻结构自重。如图1-6所示，箱梁底板在预应力荷载作用下产生与顶板作用力相反的压应力，压应力随着非预应力钢筋的配筋率的变化而变化且变化值非常明显，随着非预应力筋配筋面积的增大，底板混凝土的压应力逐步减少，受拉区不配筋梁体L1受到的压应力为699.9kN/m²，14受拉区非预应力筋配筋率是按我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定配置，L4受到的壓应力为618.5kN/m²，梁体IJ6受到的压应力为512.5kN/m²，应力差为187.4kN/m²，变化幅度为36.6%。配置非预应力钢筋较多的L6梁体，受到最大的跨中弯矩2353.4kNom，产生最小的梁顶拉应力445.3kN/m²和梁底压应力512.5k/m²，说明了非预应力钢筋可以提高梁体的刚度，使梁体截面受力更加合理，显著的改善体外预应力加固体系的受力性能。

梁体在弹性工作阶段即梁体出现结构性裂缝之前，增加配筋率可以减少预应力损失，改善梁体的弯曲性能以及截面的受力性能，主要是由于增加配筋改善了结构刚度。研究表明：在承载力极限状态下，不配筋或者少配筋梁体破坏时梁体挠度迅速增大，梁体只产生一条或者几条比较宽的裂缝；增大非预应力钢筋的配筋率可以提高梁体的刚度，破坏时梁体产生多条均匀裂缝，挠度缓慢增加，在支座处产生塑性铰，内力重新分配。梁体破坏的最终状态是预应力钢筋、非预应力钢筋以及受压区混凝土达到平衡状态，这也说明配筋率可以提高预应力筋的极限荷载增量。但是，随着非预应力配筋率的增大，梁体的刚度增大，预应力筋极限荷载增量变大，梁的塑性降低。裂缝出现时间推迟，梁体发生变形破坏的可能性降低而发生整体失稳或者脆性破坏的概率增加，因此，体外预应力加固应当根据原结构的配筋率进行设计加固。

3.结论

3.1非预应力筋面积增加，预应力钢束弹性回缩损失值减少。

3.2预应力钢束的应变与截面混凝土应变相关，提高配筋率可以改善截面弯曲性能，从而提高体外预应力加固梁体的极限抗弯强度。

3.3非预应力钢筋能够显著增加截面刚度，提高截面弯矩抵抗矩，在相同的弯矩情况下，箱梁顶板和底板产生较少的拉应力和压应力，从而对裂缝的分布和开展起到有利的作用。

3.4体外预应力加固可以有效延缓裂缝的出现，增加配筋率可以提高梁体的承载能力，但可能蕴藏着潜在的危险，旧桥提载须谨慎。

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2020-04-20