体外预应力UHPC梁预应力筋极限应力增量理论研究.pdf
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1、桥梁建设 年第 卷第期(总第 期)B r i d g eC o n s t r u c t i o n,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();湖南省教育厅重点科学研究资助项目(A );桥梁结构健康与安全国家重点实验室开放课题(B H S K L G F)P r o j e c to fN a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a();K e yS c i e n t i f i cR e s e a r c hP r o j
2、 e c t o fD e p a r t m e n t o fE d u c a t i o no fH u n a nP r o v i n c e(A );O p e nP r o j e c to fS t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rH e a l t ha n dS a f e t yo fB r i d g e s(B H S K L G F)作者简介:邓继华,副教授,E m a i l:j i h u a d e n g c s u s t e d u c n.研究方向:桥梁结构分析理论.通信作者:周亚栋,高级工程师,E m a i l
3、:z h y d e d u c n.研究方向:桥梁结构设计理论,桥梁工程管理.文章编号:()D O I:/j i s s n 体外预应力U H P C梁预应力筋极限应力增量理论研究邓继华,李冬亮,颜凌志,周亚栋,(桥梁智能与绿色建造全国重点实验室,湖北 武汉 ;长沙理工大学土木工程学院,湖南 长沙 ;中铁大桥科学研究院有限公司,湖北 武汉 )摘要:为了解UH P C抗拉性能对体外预应力UH P C梁的影响,开展体外预应力UH P C梁受力至破坏全过程非线性分析,建立体外预应力UH P C梁预应力筋极限应力的计算方法和适用公式.首先在假定通长范围内体外预应力筋为常应变受力特性的前提下,采用迭代
4、法精确求解体外预应力筋应变增量;然后编制体外预应力梁全过程非线性分析程序,并进行程序验证;最后参照国内外规范提出适用于体外预应力UH P C梁的预应力筋极限应力计算公式,以 根模拟体外预应力UH P C梁为研究对象,对比公式和非线性程序计算值.结果表明:体外预应力UH P C梁全过程非线性分析方法在计入UH P C抗拉性能的基础上精确考虑了体外预应力筋的受力特点,方法正确;考虑UH P C抗拉强度前、后计算所得的体外预应力筋极限应力增量相差,说明UH P C的抗拉强度对体外预应力筋极限应力增量有一定影响;提出的公式具有一定的参考价值.关键词:桥梁工程;UH P C梁;体外预应力筋;应变增量;极
5、限应力增量;非线性分析中图分类号:U ;U 文献标志码:AR e s e a r c ho nU l t i m a t eS t r e s s I n c r e m e n t o fP r e s t r e s s i n gT e n d o n si nE x t e r n a l l y P r e s t r e s s e dU H P CG i r d e rD E N GJ i h u a,L ID o n g l i a n g,Y A NL i n g z h i,Z H O UY a d o n g,(N a t i o n a lK e yL a b o r
6、a t o r yo fB r i d g e I n t e l l i g e n t a n dG r e e nC o n s t r u c t i o n,W u h a n ,C h i n a;S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,C h a n g s h aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,C h a n g s h a ,C h i n a;C h i n aR a i l w a yB r i d g eS c i e n c eR
7、 e s e a r c hI n s t i t u t e,L t d,Wu h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e rp r e s e n t st h el i f e t i m ea n df a i l u r ep r o c e s so fa n UH P C(u l t r a h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e)g i r d e ra s w e l la st h ef i n d i n g so fn o n l i n e a ra n a l y s
8、 i st of i g u r eo u tt h em e t h o d sa n de q u a t i o n st oc a l c u l a t et h eu l t i m a t es t r e s s e so ft h ep r e s t r e s s i n gt e n d o n si nt h ee x t e r n a l l y p r e s t r e s s e dUH P Cg i r d e r,a n d t oe x a m i n e t h e e f f e c t o f t e n s i l e s t r e n g
9、t ho fUH P Co n t h ee x t e r n a l l y p r e s t r e s s e d UH P C g i r d e r F i r s t,a s s u m i n gt h a tt h ee x t e r n a lp r e s t r e s s i n gt e n d o n se x h i b i tc o n s t a n ts t r e s s s t r a i nr e s p o n s eo v e rt h e i rt h r o u g h l e n g t h s,t h eu l t i m a t e
10、s t r e s so ft h ee x t e r n a lp r e s t r e s s i n gt e n d o n sa r ec o m p u t e db yi t e r a t i v e m e t h o d T h e n,al i f e t i m en o n l i n e a ra n a l y s i sp r o g r a mo f t h ee x t e r n a l l y p r e s t r e s s e dg i r d e r i sc o m p i l e da n dv e r i f i e d A t l a
11、 s t,e q u a t i o n st oc a l c u l a t e t h eu l t i m a t e s t r e s s i n c r e m e n t o f t h ee x t e r n a l l y p r e s t r e s s e dUH P Cg i r d e r a r ep r o p o s e d,r e f e r e n c i n gt h e AA S HT O a n d C h i n a sS p e c i f i c a t i o n s f o r S t r e n g t h e n i n g D e
12、 s i g n o fH i g h w a yB r i d g e s(J T G/TJ )A nUH P Cg i r d e re q u i p p e dw i t h e x t e r n a lp r e s t r e s s i n g桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()t e n d o n s i su s e d f o r a c a s e s t u d y T h e c a l c u l a t i o n so f t h e e q u a t i o n s a r e c o m p a r e
13、dw i t ht h o s eo f n o n l i n e a ra n a l y s i s I ti ss h o w nt h a tt h en o n l i n e a ra n a l y s i s m e t h o dt a k e si n t oa c c o u n tt h et e n s i l es t r e n g t ho f t h eUH P Ca sw e l l a s t h e l o a db e a r i n gb e h a v i o r so f t h ee x t e r n a lp r e s t r e s
14、s i n gt e n d o n s,p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h em e t h o d T h ed i f f e r e n c eo fu l t i m a t es t r e s si n c r e m e n to ft h ee x t e r n a lp r e s t r e s s i n gt e n d o n sb e f o r e a n da f t e r t h e c o n s i d e r a t i o no f t h e t e n s i l e s t r e n g
15、 t ho fUH P C i s a b o u t t o,m e a n i n g t h a t t h e t e n s i l es t r e n g t ho fUH P Ci ss i g n i f i c a n t t ot h eu l t i m a t es t r e s s i n c r e m e n to f t h ee x t e r n a l p r e s t r e s s i n g t e n d o n s,a n d t h e e q u a t i o n s c a nb eu s e da s a l t e r n a
16、t i v e s f o r c a l c u l a t i o n K e y w o r d s:b r i d g e e n g i n e e r i n g;UH P C g i r d e r;e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g t e n d o n;s t r a i ni n c r e m e n t;u l t i m a t es t r e s s i n c r e m e n t;n o n l i n e a ra n a l y s i s引言超 高 性 能 混 凝 土(U l t r a H i g h P
17、 e r f o r m a n c eC o n c r e t e,UH P C)由于具有高弹性模量、高抗拉和抗压性能以及良好的徐变特性成为近年来备受关注的新型材料,在新建和加固桥梁中得到了较广泛的应用 .预应力UH P C梁的尺寸通常较小,因此预应力体系常采用体内、外混合配束或单纯的体外预应力 .相较于体内有粘结预应力筋,在构造上,体外预应力筋具有可检查、易更换、索力可检测及可补张拉等众多优点 .但在受力分析中,由于体外预应力筋只在锚固块和转向块处与梁体有接触,截面内预应力筋和周围混凝土的应变协调关系不再适用,其变形和应变需基于结构的整体变形计算.目前AN S Y S、A b a q u
18、 s以及O p e n S e e s等有限元软件对体外预应力筋的分析模拟均只能采用近似方法,无法完全体现其受力特征.体外预应力筋应力增量的计算是体外预应力混凝土结构在正常使用状态下的应力和变形以及极限状态下抗弯承载力验算的基础.而对于体外预应力UH P C梁中预应力筋极限应力增量的研究较为少见 .因此,体外预应力UH P C梁要真正走向工程实际就必须研究和解决体外预应力筋应力增量的计算和极限应力增量的确定问题.尽管国内外众多学者基于理论或数值分析以及模型试验对体外预应力普通混凝土梁中体外预应力筋的应力增量开展了广泛而深入的研究,研究成果已被国外相关行业标准或设计规范所采用,并为我国桥梁加固设
19、计规范所借鉴.但体外预应力普通混凝土梁中体外预应力筋应变增量的计算一般采用事先假定梁的变形曲线的方法,而事实上梁的变形曲线受梁本身以及荷载形式等多种因素影响,并不是一条固定形状的曲线;更为重要的是,与普通混凝土抗拉强度低、计算分析中一般不考虑混凝土抗拉强度不同,UH P C具有较高的抗压和抗拉强度,构件的抗弯承载力分析一般应计入截面受拉区UH P C的抗拉作用,因此普通混凝土梁的受弯设计理论并不完全适用于UH P C梁,体外预应力普通混凝土梁中预应力筋的极限应力增量计算公式也并不完全适用于体外预应力UH P C梁.鉴于此,为了解UH P C抗拉性能对体外预应力UH P C梁的影响,开展体外预应
20、力UH P C梁中预应力筋应力增量的研究.考虑忽略体外预应力筋与转向块间的摩擦后为常应变构件的受力特点,采用迭代法精确求解体外预应力筋应变增量,并采用共轭梁法求解梁的挠度,结合条带法编制体外预应力UH P C梁非线性分析程序.在其可靠性与正确性得到验证的基础上,对 根体外预应力UH P C梁进行非线性全过程分析,得到各根梁破坏时体外预应力筋极限应力增量,利用此非线性程序计算结果,基于塑性铰理论并参考已有规范公式拟合出体外预应力UH P C梁体外预应力筋极限应力公式,以期为工程设计和规范制定提供参考.计算基本假定体外预应力UH P C梁预应力筋极限应力增量计算采用如下假定:()除体外预应力筋外,
21、梁体发生变形后仍保持平截面,且不考虑梁的剪切变形.()梁内普通钢筋(含体内有粘结预应力钢筋)与混凝土粘结良好,两者之间无滑移.()忽略体外预应力筋与转向块之间的摩擦,通长范围内体外预应力筋为常应变受力特性.()混凝土单向受压时采用上升段为二次抛物线、下降段为直线的应力应变关系,单向受拉时采用双折线应力应变关系;体外预应力筋采用三折线应力应变关系;普通钢筋采用双折线应力应变关系;以上材料具体本构关系参数取体外预应力UH P C梁预应力筋极限应力增量理论研究邓继华,李冬亮,颜凌志,周亚栋值见文献 .结构非线性分析 梁体截面非线性分析采用条带法进行梁体截面非线性分析,截面应变与应力分布见图.把整个截
22、面沿竖向细分为很多小条带,并假定每一条带上应力均匀分布,规定混凝土和普通钢筋的应力以压为正,拉为负.根据平截面假定,任一截面高度处混凝土条带应变ci为:cic hi()式中,c 为混凝土顶缘初始压应变;hi为第i层混凝土条带高度中心到截面顶缘的距离;为截面曲率.图梁体截面应变与应力分布F i g C r o s s S e c t i o n a lD i s t r i b u t i o no fS t r a i na n dS t r e s s i nG i r d e r由此可得,上、下缘普通钢筋的应变s和s分别为:sc hssc hs()式中,hs为上缘钢筋到截面顶缘的距离;hs
23、为下缘钢筋到截面顶缘的距离.截面的轴力N平衡方程为:cidApApsAssAs()截面的弯矩M计算公式为:McihidApAphpsAs hssAshs()式中,ci为混凝土梁各条带的应力;p为预应力筋的应力;s为上缘普通钢筋的应力;s为下缘普通钢筋的应力;Ap、As与As分别为预应力筋、上缘普通钢筋及下缘普通钢筋的截面面积.以体外预应力张拉完成时梁的受力状态为全过程分析的初始状态,根据初始截面弯矩的平衡方程可求得截面顶缘初始应变c 和初始曲率.弯矩曲率关系求解体外预应力梁每个截面布筋情况不尽相同,所以每个截面的弯矩曲率关系也不相同.随着梁受力产生变形,体外预应力筋在各个截面的有效高度会产生变
24、化,所以每个截面在不同受力情况下相应的弯矩曲率对应关系也会产生变化.因此应对每个截面都建立相应的弯矩曲率关系,并随荷载变化而更新.采用增加顶缘应变的方法求解弯矩曲率关系,并将截面曲率作为变量,根据截面轴力平衡关系,可求解出各截面混凝土顶缘应变对应的截面曲率.将体外预应力筋张拉完成时的顶缘初始压应变c 作为加载阶段的初始值,采用分级增加顶缘应变的方式计算截面弯矩曲率关系.其主要计算步骤为:计算体外预应力筋张拉完成时的顶缘初始压应变c;假定各截面的曲率i,计算各条带的应变与应力;判断是否满足式()的轴力平衡方程,若不满足则调整假定的曲率值返回步骤重新计算,若满足则进行下一步的计算;计算截面弯矩Mi
25、,此时求得的弯矩Mi与曲率i即为所需值.体外预应力筋应力增量计算设三 折 线 形 预 应 力 筋 端 点 的 初 始 位 置 为xi,yi()(i,),见图,为简化计算过程及公式,定义第i段长度Li为:Lixi xi()yi yi()()图体外预应力筋示意F i g S c h e m a t i co fE x t e r n a lP r e s t r e s s i n gT e n d o n s如果端点处位移用ui,vi()表示,则第i段预应力筋发生变形后的总长度可以表示为:LiLi()xi ui xiui()yi vi yivi()()式中,Li为第i段预应力筋的变形量.展开式(
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- 体外 预应力 UHPC 极限 应力 增量 理论研究
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