弹性阶段体外预应力钢束二次效应研究

结合交通部2004年度西部交通建设项目《体外预应力桥梁设计施工技术研究》，利用体外预应力混凝土桥梁结构弹性阶段非线性分析程序，对体外预应力混凝土桥梁的二次效应进行了分析。分析中选择等截面预应力混凝土简支梁、等截面连续梁和大跨径变截面连续刚构桥等代表性桥梁结构形式。以结构跨径、跨高比、转向块间距、体外预应力钢束布置形式等为主要研究参数，研究体外预应力钢柬二次效应的影响程度。计算了工程实例的二次效应。研究表明在弹性阶段体外预应力混凝土桥梁的二次效应均较小。在设计中可不予考虑。     

波形钢腹板体外预应力组合梁正截面承载力及应力分布特征研究

为研究预应力状态下波形钢腹板组合梁的截面应力分布特征,设计制作2根波形钢腹板组合梁,在预应力筋张拉过程中研究了预应力对组合梁受弯截面应力分布特征的影响,通过正截面受弯试验对试件塑性承载力先进行测定;对体外预应力组合梁正截面承载力进行了理论分析;利用有限元分析软件,对与试件同类型的波形钢腹板体外预应力组合梁的塑性受弯承载力进行了参数分析,研究了腹板高度和混凝土强度对正截面承载力的影响。结果表明：预应力对此类构件的翼缘应变变化量影响较波形钢腹板的大约2~3倍;预应力损失对截面中性轴位置变化影响可忽略不计;施加预应力将使波形钢腹板组合梁的受弯承载力提高约30%,腹板高度等参数与此类结构跨中截面承载力呈线性关系;理论值与有限元模拟结果吻合良好,验证了所提出正截面承载力理论的准确性。     

基于体外预应力加固的简支梁束界

体外预应力加固技术作为一种主动加固方法,现已广泛应用于桥梁加固中。对于预应力混凝土构件,合理的预应力钢束线形有利于保证结构承载力及使用性能。针对体外预应力加固简支梁的束界进行研究,提出体外预应力法加固简支梁的束界概念,依据我国现行规范,对各类预应力构件提出束界控制条件并分别推导出束界理论解。此外,提出了预应力钢束使用效率的概念,通过约定使用效率对前述束界进一步界定。应用有限元建模对基于理论束界的不同体外预应力布束方案的钢束使用效率和应力进行分析,结果表明,所述束界是安全有效的,可以满足使用阶段抗裂性要求和施工阶段应力要求;体内预应力钢束使用效率随束距增大而减小,体外预应力钢束使用效率随束距增大而增大。     

体外预应力筋极限应力和有效高度计算方法

为了建立体外预应力混凝土梁抗弯承载力简化计算方法,通过系列模型试验形成体外预应力筋极限应力和有效高度的基础数据;基于试验验证的非线性有限元计算方法,分析试验加载方式与我国桥梁规范设计荷载的差异以形成相应的修正系数;根据试验结果分析体外预应力筋极限应力和有效高度随试验参数的变化规律,研究有效高度变化产生的抗弯承载力的二次效应;基于上述分析结果,采用施工方法、跨高比、体内受拉钢筋配比等参数,建立体外预应力筋极限应力和有效高度的回归计算公式,并通过试验数据进行验证;最后按照我国公路桥梁设计可靠度水平和现行规范要求对计算公式进行修正,提出体外预应力筋极限应力和有效高度计算方法。该计算方法能较有效的反映各主要因素对体外预应力筋极限应力和有效高度的影响规律。     

体外预应力筋极限应力增量的理论分析与试验研究

为研究体外预应力梁受弯破坏过程的力学性能及体外预应力筋极限应力增量,对比分析了各国规范关于体外预应力筋应力增量的计算方法,设计并完成了2根体外预应力波形钢腹板简支组合梁的抗弯承载力试验,编制了非线性全过程分析程序对2根梁进行了分析;以跨高比为主要变量,考虑混凝土强度、截面配筋状况、体外预应力筋有效预应力等因素,以平截面假定为基础,根据极限状态时梁截面内力平衡条件,通过增大受压区混凝土面积建立了体外预应力筋极限应力增量的简化计算公式,并用搜集到的19根试验梁数据对该计算公式加以验证。结果表明:体外预应力组合梁受弯破坏全过程与体内预应力梁基本类似,但是梁破坏时体外预应力筋还未进入屈服阶段,利用各规范公式计算的体外预应力筋极限应力增量比试验值小很多,与试验梁普通受拉钢筋屈服时的体外预应力筋应力增量相当;体外预应力筋的极限应力增量与跨中挠度近似呈直线关系;计算结果与试验结果吻合良好,该公式具有一定的参考价值。     

基于桁-拱叠加模型的体外预应力混凝土梁抗剪承载力计算方法

通过剪力传递途径分析和结构拓扑优化,揭示了桁架-拱模型可以反映体外预应力混凝土梁主要受剪承载机理。通过桁架模型和拱模型的叠加,建立了体外预应力混凝土梁的抗剪承载力简化计算方法。公式形式简单,能够反映结构的受力机理,包含了梁的几何尺寸、剪跨比、配箍率、轴向预应力、混凝土强度、荷载形式等影响因素。公式可以统一考虑无腹筋梁和有腹筋梁,不同的剪跨比,以及体内体外混合配束的情况。应用本文方法与国内外已有试验进行对比,表明计算值与试验结果吻合良好且偏于安全。最后,通过参数分析得出了主要因素对抗剪承载力的影响规律。     

大跨径连续梁桥体外预应力损失的数值分析与实桥测试

预应力损失是大跨径梁桥长期下挠的重要影响因素,传统的体内预应力束存在管道压浆密实度难保障和预应力损失难测试等问题,使得桥梁永存预应力难以量化、结构运营状态难辨识。体外预应力具有损失少、永存应力可测试、主动受力等优点,目前体外预应力用于连续梁桥的工程案例还很少。本研究基于某预应力混凝土连续箱梁桥体内与体外混合配束特点,通过数值有限元分析和现场实测研究了体外预应力的损失规律。数值有限元分析表明体外预应力在施工完成后预应力损失在10%以内,运营阶段随着收缩徐变稳定后最终预应力损失在20%以内。实桥测试显示体外预应力在张拉完成50天后基本趋于稳定且损失率在6%以下,小于理论计算结果。本研究表明体外预应力技术可以很好地应用于大跨径连续梁桥设计建造中,预应力损失量低于设计预期,桥梁具有很好的预压应力储备。     

预应力混凝土连续梁的次内力分析方法

以连续梁为对象,研究了弹性阶段预应力布束形式对结构内力的影响。首先分析了预应力混凝土连续梁中预应力引起的次内力产生的原因,然后把连续梁等效成边跨和中跨2种基本结构形式,将常见预应力束布设形式引起的固端约束次力矩和弯矩用参数表示,包括直线束、局部束、折线形预应力束以及抛物线形预应力束;同时,分析了折线束和抛物线束的梁端压力线与梁重心线的偏离距率及钢束几何形状的对应关系,总结了这2种布束形式对结构内力影响的特征;最后以一个三跨等截面连续梁为实例,对比折线束与抛物线束产生的次内力效应。结果表明,折线束对连续梁的次内力影响远大于抛物线束。该研究结果有助于工程技术人员优化预应力束筋设计。     

斜拉桥组合梁桥面板体内体外预应力体系比选研究

为确定斜拉桥组合梁混凝土桥面板预应力体系对桥面板抗裂性能的改善程度,以宁波中兴大桥为工程背景,通过制定比选研究对象,分析、介绍组合梁在配置体外束和体内束体系下的结构位移、混凝土板应力分布和预应力在混凝土板和钢梁中轴力分配比例等研究结论。结果表明,2种配束方式下结构效应均满足规范要求,通长布置纵向体外预应力组合梁结构性能稍优。     

初始残余应力对预应力钢-混凝土连续组合梁抗火性能影响

为研究钢梁残余应力对预应力连续组合梁抗火性能的影响,建立了预应力连续组合梁在高温下非线性升温过程受力行为的有限元模型。通过考察梁的破坏形式、跨中挠度、预应力拉索张力、截面弯矩以及梁的曲率等关键参数随温度的变化,得到不同残余应力模式对组合梁抗火性能的影响机理。分析结果表明：残余应力的分布并不总是对预应力钢-混凝土组合梁的高温性能产生不利影响,腹板具有初始残余拉应力分布模式的预应力钢-混凝土组合梁高温下的挠度相对最小;残余应力主要通过影响截面正应力分布来影响钢梁的截面刚度;在临界状态时,残余应力对组合梁截面刚度的影响不明显;不同残余应力模式对高温下预应力钢-混凝土组合梁的截面抗弯刚度影响不同;当预应力钢-混凝土组合梁的初始残余应力模式以腹板全截面拉应力为主时,预应力钢-混凝土组合梁跨中截面抗弯刚度最大;当残余应力对组合梁跨中截面抗弯刚度有利时,梁跨中截面处中和轴位置比无残余应力影响时较高。     

体外预应力混凝土连续梁弯曲性能试验研究

为了研究体外预应力混凝土连续梁的弯曲性能、极限受力状态及内力重分布规律,以施工方法和体内外预应力筋配比为参数,对1根整体式(体内外配筋)和2根节段式(体内外配筋和全体外配筋)体外预应力混凝土连续梁进行了模型试验。通过试验数据分析,得到了模型梁挠度、混凝土应变、体外预应力筋应力与有效高度随荷载变化规律,以及混凝土裂缝发展与分布情况。结果表明:整体式梁的混凝土极限压应变和挠度最大、延性较好但体外预应力筋有效高度减少最大,节段式体内外预应力梁的体外预应力筋极限应力最大,节段式全体外预应力梁的混凝土极限压应变和挠度最小、延性较差、体外预应力筋极限应力及有效高度减少也最小。节段式梁的裂缝主要集中在接缝位置、无斜裂缝,接缝位置的塑性变形使内力重分布更充分。整体式梁内力重分布的区域集中而节段式全体外预应力梁的范围较大,各梁控制截面弯矩增、减幅值不超过10%。     

体外预应力混凝土简支梁抗剪承载力计算方法

将已进行的13根整体式和14根节段式(胶接缝和干接缝)体外预应力混凝土简支模型梁剪切性能模型试验成果,作为建立抗剪承载力简化计算方法的基础资料。根据模型梁剪切性能试验的研究结果,以施工方法(整体式和节段式)、剪跨比、配箍率、接缝类型、体内外预应力筋配比等为参数建立斜截面抗剪承载力的回归计算公式,基于混凝土双轴强度理论和接缝截面极限平衡条件推导接缝截面抗剪承载力计算公式,利用试验数据对计算公式进行验证。按照我国公路桥梁设计可靠度水平和现行规范的要求对计算公式进行修正,提出可用于体外预应力混凝土梁截面抗剪承载力设计的简化计算方法。研究表明,简化计算方法能有效反映体外预应力混凝土梁剪切破坏特点和各主要因素对抗剪承载力的影响规律。     

体外预应力混凝土梁弯曲性能分析

体外预应力混凝土技术已被广泛地应用于各种结构工程及对既有结构进行加固中。本文通过十片体外预应力混凝土梁的试验,建立了体外预应力混凝土梁受弯条件下全过程非线性分析的计算方法和计算机程序。计算结果表明,该计算方法可以较好地反映此类梁在受弯条件下的规律,为进一步深入研究体外预应力混凝土结构提供了理论分析的依据。同时,采用体外预应力技术对一座铁路桥进行了加固。     

连续梁中无粘结预应力筋极限应力增量

无粘结筋极限应力增量的合理计算,是较准确计算无粘结预应力混凝土梁正截面承载力和极限荷载的基础。采用弯矩-曲率非线性分析法编制了可考察预应力混凝土梁中无粘结筋极限应力增量的计算程序,通过与16根两跨预应力混凝土连续梁中无粘结筋极限应力实测值的比较,验证了该方法的精确性。最后基于仿真分析结果,得到了预应力筋配筋指标、非预应力筋配筋指标、跨高比、加载形式等参数对承载能力极限状态下连续梁中无粘结筋应力增长的影响规律;建立了无粘结部分预应力混凝土连续梁中无粘结筋极限应力增量的计算公式。     

体外预应力混凝土简支梁剪切性能试验研究

为了研究节段式体外预应力混凝土梁的剪切性能,采用剪跨比、配箍率、接缝类型、体内外预应力筋配比等参数进行了13根整体式和14根节段式(胶接缝和干接缝)体外预应力混凝土简支模型梁试验。描述了模型梁箍筋应力、体外预应力筋应力、挠度随荷载变化规律,以及破坏裂缝形成过程和破坏形态;分析了剪跨比、体内外预应力筋配比、接缝位置和数量及类型对梁剪切性能的影响。研究表明,节段式体外预应力混凝土梁的剪切性能和整体式梁有很大差异,接缝决定着剪切破坏形态与破坏裂缝的形成、较大削弱了梁的抗剪承载力、明显增大了破坏裂缝的宽度和梁体破坏时的变形;配置体内预应力筋能有效改善体外预应力混凝土梁的剪切性能;整体式体外预应力混凝土梁的剪切性能和一般预应力混凝土梁也有一些差异。     

Stiffness of reinforced concrete beams with external tendons

In recent years, external prestressing has become a primary method for strengthening existing concrete structures and has been increasingly used in the construction of newly erected ones, particularly segmental bridges. Analysis of externally prestressed members is more difficult than that of members with internal bonded tendons. This is because external tendons are unbonded to the concrete and the stress in such tendons depends on the deformations of the whole member and is assumed uniform at all sections. In this paper, a simple analytical model is outlined for predicting the flexural behavior of reinforced concrete members with external tendons under service loads. The analysis accounts for various factors that affect the flexural behavior including eccentricity variations of external tendons and span-to-depth ratios. Good agreement has been found between the predicted results and those in the literature.     

CFRP体外预应力桥梁的荷载试验研究

对国内首座CFRP体外预应力公路桥梁何圩桥进行荷载试验。试验结果表明混凝土主梁应变增量实测值和理论值接近。CFRP体外索实测索力变化趋势同理论计算结果相同,实测索力增量同理论计算值相符,主梁和CFRP体外索表现出良好的协同工作性能。全桥处于弹性工作阶段,具有较大的安全储备,结构安全可靠。     

轻轨高架桥胶接缝节段式体外预应力箱梁的构造与受力

胶接缝节段式全体外预应力箱梁具有建设质量能够保证、施工速度快、对周边环境影响小的优点,较好地满足了现代化桥梁的建设发展需要。为了研究其在城市轻轨高架桥中的可行性,以一胶接缝节段式全体外预应力混凝土箱形连续梁为研究对象,提出了节段划分、剪力键、预应力钢束布置等构造要点。按照铁路规范及相关设计指南,采用有限元软件进行分析,计算结果表明,截面应力、挠度及承载力验算均满足规范及指南的要求。这种桥梁形式值得在城市轻轨高架桥中推广。