受压区增大截面加固后相对界限高度系数研究[精品资料]
受压区增大截面加固后相对界限高度系数研究-精品资料
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摘要:针对受压区加固后的组合截面受弯构件正截面承载力计算公式并没有对其受压区相对界限高度系数进行说明,对影响受压区增大截面加固后相对界限高度系数的因素进行分析计算。分析结果表明,受压区增大截面加固后相对界限高度系数,可按照现行设计
JTG D62-2004的规定值计算,可充分保证构件不发生脆性破坏。
关键词:钢筋混凝土构件;增大截面法;加固方法;相对界限高度系数
TU375 A
0、引言
在公路桥梁加固过程中,针对不同的桥型、不同的加固位置可以采用不同的方法,有时仅使用一种方法,有时是几种方法同时使用。增大截面法,是指在增大构件的截面和配筋,以提高原构件承载能力、提高结构刚度的方法。由于我国干线公路以及地方公路危旧桥梁大部分为中小跨径钢筋混凝土桥梁和拱式桥,而增大截面法加固技术简单,施工方便,在一定条件下可以结合进行桥面改造(包括桥面补强层加固法)或拱上填料更换实施,能满足承载力和耐久性提高的要求。因此,增大截面法仍是解决我国公路旧桥改造的有力工具的主要方法之一。
受压区增大截面加固后的组合截面相对界限高度系数是加固构件设计计算的重要条件之一。现有《混凝土结构加固设计规范》中的5.2.2条规定,当仅在受压区加固受弯构件时,其承载力、抗裂度、钢筋应力、裂缝宽度及变形计算和验算,
可按现行国家
《混凝土结构设计规范》中关于叠合式受弯构件的规定进行。然而,受压区加固后的组合截面受弯构件正截面承载力计算公式并没有对其受压区相对界限高度系数进行说明。试验[3-4]表明,按整浇梁及稍大于配筋的组合截面梁,并非处于适筋与超筋的界限状态或发生超筋破坏,而是呈适筋破坏。但是由于试验[3-4]中组合截面梁所配钢筋未知,而增大截面法受压区加固梁的原构件尺寸、配筋率已知。同时,由于受压区加固后的组合截面受弯构件在二阶段受力过程中有钢筋应力超前[5]的影响,其加固后受弯构件截面的相对界限高度系数也不等同于一般钢筋混凝土受弯构件的相对界限高度系数。因此,有必要对在受压区加固钢筋混凝土受弯构件截面的相对界限高度系数进行分析计算。
1、计算基本假定
加固结构的承载力与新旧两部分的应力差值或应变差值直接相关,与原结构的极限变形值有关,与两部分材料的应力一应变关系有关。从理论上讲,只要这些关系确定,加固结构的承载力就可以用分析的方法求解。由于增大截面法加固后的梁属于组合截面梁,因此,必须考虑组合结构的特点,对组合结构进行一些计算基本假定。在计算增大截面法加固受弯构件受压区正截面抗弯承载力时,有下列基本假定:
1)加固前,原构件处于弹性工作阶段,截面变形关系符合平截面假定,截面应力按开裂的钢筋混凝土弹性理论计算;增大截面法加固受弯构件后,组合截面梁在承载力极限状态下的应变为加固前后截面应变图形的叠加,亦近似地认为截面应变关系仍满足平截面假定,新旧混凝土之间粘结可靠,无相对滑移,保证了新旧混凝土共同工作。
2)不考虑受拉区混凝土的作用。在裂缝截面处,受拉区混凝土已大部分退出工作。在靠近中和轴附近仍有一部分混凝土承担着拉应力。由于拉应力很小,且内力偶臂也不大,因此承担内力矩也不大,故计算中忽略。
2、加固后组合截面梁的受压区相对界限高度系数
根据钢筋混凝土结构理论,《公路桥规》建立了基于适筋梁的正截面承载力计算公式,并以控制最小配筋率避免少筋,以规定受压区相对界限高度系数防止超筋。对于普通钢筋混凝土梁,当受拉区钢筋达到屈服应变而开始破坏时,受压区混凝土边缘也同时达到极限应变而破坏,此时被称为界限破坏,与之对应的梁截面的配筋为界限配筋。
而增大截面法受压区加固梁的原构件尺寸、配筋率已知,此时混凝土加固结构的受压区相对界限高度系数与截面的新增高度有关。为了避免构件发生脆性破坏,在二次受力阶段极限状态下,应使结构不发生脆筋破坏,即原有受拉钢筋达到抗拉强度设计值,而混凝土尚未压碎。当截面为界限配筋时,荷载作用下即将破坏时,新增混凝土应变达到极限压应变,纵向受拉钢筋的应变达到屈服应变。图1a)为矩形截面图,阴影部分为截面受压区高度部分,图1b)为截面应变图,虚线即为加固前原构件承受弯矩时的截面应变,实线为加固后组合截面构件承受弯矩时的截面应变。由图1b)可得加固后组合截面梁的受压区相对界限高度系数为:
图1加固后组合截面的应变图
(1)
式中 ——原构件纵向普通钢筋的抗拉强度设计值;——原构件钢筋的弹性模量;——加固前原构件结合面处的混凝土压应变;——加固前原构件纵向受拉钢筋的拉应变;——新增混凝土高度;——原构件的截面有效高度;
由式(1)中可以看出加固后组合截面梁的受压区相对界限高度系数与加固前钢筋的初始应变和混凝土的初始应变以及新增混凝土高度与原构件的截面有效高度比值()有关,为了精确求解,有必要计算和。
加固前原构件截面的应变图如图2所示。图2 a)为原构件矩形截面图,阴影部分为截面受压区高度部分,图2 b)中为加固前截面应变图。
图2加固前原构件截面的应变图
加固前,原构件仅受恒载作用,车辆活载等均卸去。这时原构件处于使用弹性阶段,截面可能开裂,因此这时要用容许应力法原理按弹性理论来求解初应变。
这时,在混凝土压应变较小时,用直线代替抛物线具有足够的精度,为了简化计算,可假设混凝土应力——应变关系成线弹性,这样可以采用钢筋混凝土受弯构件的容许应力法求解截面应力。
由图2以及矩形截面水平力平衡条件,即得:
(2)
由所有的力对受拉钢筋合力作用点力矩为零的平衡条件,即可得:
(3)
由变形条件可得:
(4)
式中 ——原构件混凝土的弹性模量; ——加固前原构件截面曲线应力图混凝土受压区高度;——原构件钢筋面积;——加固前由荷载产生的弯矩设计值。其它符号意义如上。
由式(2)、(3)、(4)可求得加固前原构件混凝土和钢筋的初始应变。
(5)
(6)
(7)
由式(5)、(6)、(7)可求得加固前原构件混凝土初始应变和钢筋初始应变,从而由式(1)即可求得加固后组合截面梁的受压区相对界限高度系数。
3、影响因素分析
由式(1)看出求解过于繁琐,借助程序的帮助,本文给出了不同条件下加固后组合截面梁的受压区相对界限高度系数的图形,即根据不同的初配筋率、初应力和截面高度增大率,研究对相对界限高度系数的影响,并与整浇梁的相对界限高度系数进行比较。
分析时引入有效系数,其中为受弯构件的受压区相对界限高度系数。分析中取钢筋种类R235、HRB335和HRB400三种情况和混凝土强度等级为C50及以下和C55两种情况。
而整体梁的相对界限高度系数[6]为:
(8)
由于不同的情况组合对加固后相对界限高度系数的影响相差很大,并且各个情况同时存在、相互作用,对加固后相对界限高度系数的综合影响则更加复杂。因此,选择初配筋率为0.5,、1,和1.5,三种情况为前提下分析其它情况对相对界限高度系数的影响(见图3,图5)。
图3,图5为三维图形,有效系数为z轴坐标的数值,y轴坐标由初应力水平用来描述,此处为加固前原构件承受的弯矩,为加固前原构件所能承受的极限弯矩,的取值范围为0,0.9,以0.1的变化速率从0到0.9,x轴坐标由截面高度增大率来描述,的取值范围为0,0.25,以0.05的变化速率从0到0.25。
图3初配筋率为0.5,作用下相对界限高度系数示意图
图4初配筋率为1,作用下相对界限高度系数示意图
图5初配筋率为1.5,作用下相对界限高度系数示意图
从图3,图5可以看出,不同初配筋率作用下相对界限高度系数基本相同,可见初配筋率对界限高度系数影响不大。随着初应力的增大以及高度增大率的增大,有效系数也随之增大,但在不同钢筋种类和混凝土标号情况下,有效系数都在10,以内,只有高度增大率在0.25的情况下,有效系数超过了10,。同时,如果加固时初应力水平和高度增大率都过高时,加固效果并不明显。因此,为了简便计算加固后相对界限高度系数,故可按照现行设计规范JTG D62-2004[6]的规定值计算,可充分保证构件不发生脆性破坏。
4、结语
通过对受压区增大截面加固后相对界限高度系数的分析计算,得到了相对界限高度系数的计算公式。为了简便计算加
固后相对界限高度系数,同时对影响加固后相对界限高度系数的因素进行分析讨论,提出了加固后相对界限高度系数可按照现行设计规范JTG D62-2004的规定值计算,可充分保证构件不发生脆性破坏,为
技术人员提供相关的理论依据。
参考文献:
[1] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2006.
[2] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范(GB50010,2002)[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2002.
[3] 周旺华等.预应力混凝土叠合梁设计方法的试验研究和设计建议[J]. 武汉建材学报,1983.
[4] 诘雨林等.叠合梁的配筋界限值[J]. 工业建筑,1986(2).
[5] 周旺华.现代混凝土叠合结构[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1998.
[6] 中华人民共和国行业标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)[S]. 北京:人民交通出版社,2004.
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