混凝土连续箱梁长期受力性能分析

方 志(1963―)，男，湖北黄冈人，教授，工学博士，博导，从事桥梁与结构工程研究.
156
工程力学
一[2―3]，研究表明混凝土薄壁箱梁的长期与短期挠 混凝土表面应变计布置如图 4 所示。
曲变形之比超出现行规范规定值[4]。本文将在钢筋 混凝土连续箱梁短期受力性能基础上[5―6]，对其长
S1
S2
S3
Effective width coefficient of compressive flange
2.3 基本假定[7] 1) 开裂截面不考虑受拉混凝土抵抗内力作用，
未开裂截面考虑受拉混凝土抵抗内力作用。 2) 变形前后符合平截面假定，且混凝土和钢筋
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收稿日期：2007-10-26；修改日期：2008-05-21 基金项目：国家自然科学基金项目(50678063)；湖南省自然科学基金项目(07JJ3100) 作者简介：*曹国辉(1969―)，男，湖南益阳人，教授，工学博士，土木工程学院副院长，从事桥梁与结构工程研究(E-mail: cgfcivil@163.com)；
Abstract: This paper investigates the structure internal force redistribution, the sectional strain and stress redistribution and long-term flexural deformation of reinforced concrete continuous box girders. To do that, 1006 days’ long-term behavior test is carried out, and concrete shrinkage, creep and uneven settlement of elastic supports are considered by means of creep transformed-section method. It is shown that: 1) the strain of tensile steel bars increases slightly, especially at the mid-support section; 2) the compressional strains of steel bars and concrete increase relatively larger under sustained loading, especially at the mid-span section; 3) the theoretical reactions at the side-support increase 7.0% after 1006 days loading, while the measured reactions increase 7.2%; 4) the structure internal force redistribution has great influence on long-term flexure deformation of continuous box girders. Key words: concrete; continuous box girder; long-term behavior; creep transformed-section method; internal
C9
3 17
C10
C11
C12
C14
C13
(a) A－A 截面
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
C10
(b) B－B 截面
C1
C2
C3
C4
C5
3 17
3 17
C6
C7
C8 C10 C11 C12 C9 22.5 22.5 22.5 22.5
(c) C－C 截面
图 4 混凝土表面应变计布置 /cm Fig.4 Strain gauge layout of concrete
force redistribution
箱形截面具有良好的空间整体受力性能，在现 腹板间距大、箱壁薄、横向挑臂长的钢筋混凝土连 代桥梁建设中得到广泛应用，在城市立交桥和高架 续箱梁进行调查，发现有许多严重的横向裂缝， 桥中建造的钢筋混凝土箱梁桥与日俱增，并趋于采 直接地危及桥梁结构的安全性。混凝土连续箱梁 用带横向大伸臂的横断面形式[1]。然而，近年来对 设计理论的不完善是引起结构开裂的重要原因之
分布宽度系数实测曲线与拟合曲线如图 7 所示。跨
中截面顶板有效分布宽度系数拟合公式：
ρ f =0.86173+0.02739 t 0.08687 ，初始时刻 ρ f =0.862， 持荷 1006d，ρ f =0.912，较初始时刻提高 5.8%。中
间支座截面底板有效分布宽度系数拟合公式：
ρ f =0.69094+0.04025 t 0.17146 ，初始时刻 ρ f =0.691， 持荷 1006d， ρ f =0.820，较初始时刻提高 18.7%。
图中正弯矩区未开裂梁段与开裂梁段截面惯 性矩分别为 I1 、I2 ，负弯矩区未开裂梁段与开裂梁 段截面惯性矩分别为 I3 、 I4 。长期持续荷载作用，
(0.5−α)ql 2
有效宽度分布系数
因混凝土收缩徐变效应和弹性支座影响，导致开裂
状态混凝土连续箱梁出现内力重分布，引起连续箱
梁反弯点位置变化。按对称性可取其中一跨进行结
第 26 卷第 3 期 Vol.26 No.3
工程力学
2009 年 3 月 Mar. 2009
ENGINEERING MECHANICS
155
文章编号：1000-4750(2009)03-0155-06
混凝土连续箱梁长期受力性能分析
*曹国辉 1,2，方 志 2
(1. 湖南城市学院土木工程学院，湖南，益阳 413000；2. 湖南大学土木工程学院，湖南，长沙 410082)
(b)
RC = αql
M
+ 未开裂
M
+ 开裂
(b)
M
+ 未开裂
M
未开裂
-
M 开裂
I11
I22
I11 I33II44
22ll11== 2α αl l
22ll22==22((11-−22αα)l)
RRAA
反反弯弯点点 RRBB
(c) 图 6 截面惯性矩沿梁长分布 Fig.6 Sectional moment of inertia along beam
通过位移计测试跨中截面(A－A、B－B)竖向挠 度变化，通过弦式力传感器测试支座反力变化。采 用图 5 所示堆载方式施加均布荷载，最大试验荷载 515.2kN，荷载施加完毕，按规定时间间隔测试应 力应变、支座反力、挠曲变形等的变化，整个试验
工程力学
157
观测持续 1006d。
图 5 连续箱梁长期荷载作用 Fig.5 Sustained loading of continuous box girde
构分析，以反弯点位置作为分界点，连续梁沿梁长
可 按 下 列 4 种 情 况 分析 ： 1) 正弯 矩 区 段 ， 当
M
≤
M
+ cr
时，按全截面计算换算截面特性，截面惯
性矩 I1 ；2)
正弯矩区段，当 M
>
M
+ cr
时，按开裂
截面计算换算截面特性，截面惯性矩 I2 ；3) 负弯
矩区段，当 |
M
|≤|
M
A
1900 吊环
C
B
1900
80厚横隔板 80厚端横隔板
75 75 650 950 650
2400
80厚端横隔板
A
C
B
100
2212.5
2212.5
2212.5
2212.5
100
4425
4425
9050
图 2 箱梁模型平面 /mm Fig.2 Plane of box girder model
表 1 钢筋力学性能 Table 1 Properties of steel bars
− cr
| 时，按全截面计算换算截面
特 性 ， 截 面 惯 性 矩 I3 ； 4) 负 弯 矩 区 段 ， 当
|
M
|>|
M
− cr
| 时，按开裂截面计算换算截面特性，截
面惯性矩 I4 。
2.2 受压翼缘有效宽度分布系数
任意时刻受压翼缘有效分布宽度可依据顶板
混凝土实测应变沿宽度的分布确定，受压翼缘有效
2 截面应力收缩徐变效应分析
2.1 简化模型 连续箱梁正弯矩区段与负弯矩区段分别按工
形截面进行简化分析[6]，开裂截面忽略受拉混凝土 对截面惯性矩的贡献。混凝土连续箱梁荷载施加完 毕，相应梁段的截面惯性矩沿梁长分布可按图 6 进 行简化计算。
q
A
B
C
l
l
(a)
RA = αql
RB = 2(1−α)ql
(b) B－B 截面
φ12@150
2400 17φ16
S1
S2
60 60 90
50 400
3φ16
70 φ 6@ 150 /100
13φ16
650
900
650
100
100
图 1 模型截面尺寸及配筋 /mm
Fig.1 Section details and steel bars layout of model
可见随时间增长，中间支座截面受压底板有效分布
宽度系数较跨中截面增加显著。
0.95
0.90
0.85
0.80
跨中截面实测值
0.75
跨中截面拟合值
支座截面实测值
支座截面拟合值 0.70
Figห้องสมุดไป่ตู้7
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 持荷时间/d
图 7 受压翼缘有效分布宽度系数
性能指标
7d 14d 28d 365d 730d 1006d
立方抗压强度/MPa 49.98 54.70 58.37 63.47 67.31 69.69
弹性模量/GPa
34.55 36.52 38.07 41.43 42.79 43.22
1.2 测点布置
在跨中截面(A－A、B－B)及中间支座截面(C－
S4
S5
期受力性能进行分析。
1 模型试验概况
S6
S7
(a) A－A 截面
1.1 模型概况 按 1∶5 的比例制作了单箱单室 2 跨连续箱梁试
验模型，模型截面尺寸及配筋如图 1 所示，模型平 面如图 2 所示，钢筋的力学性能见表 1，混凝土强 度等级 C50，混凝土的力学性能见表 2。
S1
S2
S3
S4
类型
普通 钢筋
直径/mm
φ−16 φ−12 φ8
屈服强度/ 极限强度/
MPa
MPa
389.4
563.4
459.8
587.1
300.4
466.4
伸长率/ (%) 18.5 19.5 27.4
弹性模量/
MPa 2.0×105 2.0×105 2.1×105
表 2 混凝土力学性能
Table 2 Properties of concrete
摘 要：以钢筋混凝土连续箱梁 1006d 的长期受力性能试验为基础，考虑混凝土收缩徐变和弹性支座不均匀沉降 影响，采用徐变换算截面法分析了连续箱梁的结构内力重分布、截面应变应力重分布和长期挠曲变形，并与实测 结果进行对比分析。研究表明：持续荷载作用引起受拉钢筋的应变增长相对较小，且跨中截面的拉应变增长较中 间支座截面显著。持续荷载作用引起受压钢筋和受压混凝土的应变增长相对较大，且跨中截面的压应变增长较中 间支座截面显著。持荷 1006d 边支座反力系数理论值较初始值增长 7.0%，边支座反力系数实测值较初始值增长 7.2%，理论值与实测结果吻合较好；连续箱梁结构内力重分布效应对其长期挠曲变形的影响较大。 关键词：混凝土；连续箱梁；长期受力性能；徐变换算截面法；内力重分布 中图分类号：U448.21+.3; TU378.2 文献标识码：A
LONG-TERM BEHAVIOR ANALYSIS OF CONCRETE CONTINUOUS BOX GIRDER
*CAO Guo-hui1,2 , FANG Zhi2
(1. School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hu’nan 413000, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha, Hu’nan 410082, China)
C )预埋弦式应力计测试钢筋应力变化，如图 3 所示，
S3
S4
S5
(c) C－C 截面
图 3 钢筋应力计布置 Fig.3 Stress gauge layout of steel bars
5 30.9 30.9 26.6 26.6 26.6 26.6 30.9 30.9 5
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8