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垂直预应力组合刚构桥的强度与性能

郑元祥、郑大基和金成民

韩国庆幸道永宁京熙大学土木工程系，446-701

摘要

本研究开发了一种新型复合刚构桥，并通过实桥试验验证了其可行性。该桥的核心技术是通过对墩墙处易于嵌入的高强度钢筋施加垂直预应力，将预应力引入钢梁。提出的预应力刚构桥通过力矩分配来减小截面，增加梁间距。为了分析该桥的可行性，设计制作了一座全尺寸试验桥，并对其进行了荷载试验和非线性有限元分析。结果表明，该桥通过竖向预应力有效地引入了预应力预弯，其破坏行为是由于支座处的弯曲破坏逐渐发生的而不是突然破坏。

关键词：刚架桥；竖向预应力；裂缝；有限元分析；全尺寸

1. 介绍

整体式桥梁或无接缝桥梁是指梁或桥面连续且整体连接到桥台的桥梁（Zordan等人，2011年）。美国和欧洲已经建造了多种无缝桥梁（Huan等人，2011年；Marx和Seidl，2011年）。复合刚构桥或门式刚构桥是韩国和日本广泛使用的一种整体式桥梁（岩崎等，2011）。根据韩国政府统计（MLTM，2012年），韩国约30%的公路桥梁是刚性框架桥。复合刚构桥具有施工维护成本低、行车质量好、抗震性能好等优点。特别是在铁路应用中使用刚性框架桥，可以消除轨道中的支撑装置和伸缩缝，并改善与传统铁路桥梁相比的功能性和安全性。

传统的钢筋混凝土刚构桥是一种常见的桥梁类型，其上部结构和下部结构均为整体结构，无接缝。这一特性确保了钢筋混凝土RFB具有良好的抗震性能，并消除了对轴承和伸缩缝等设备的需求，从而提供了维护方面的好处。然而，由于上部结构的自重，钢筋混凝土RFB仅在桥跨小于15 m时证明是经济的。为克服现有钢筋混凝土组合刚构桥存在的局限性，韩国提出了钢-混凝土组合刚构桥，并得到了广泛的应用。最具代表性的两种技术如下。一是通过安装与墩墙组合连接的钢梁来增加桥梁长度。第二种方法是安装预应力钢梁，然后与桥墩刚性连接。与传统的钢筋混凝土RFB不同，这种技术在确保经济价值的同时，允许桥梁设计长度超过20 m至35 m。

使用这种预弯梁的组合刚性框架桥需要额外的预制梁预制场以及单独的制造工艺，以将预弯引入钢梁。此外，预制梁在制作时，由于套管混凝土的作用，梁的自重增加，因此在安装过程中必须使用重型设备。为克服预应力梁与钢梁组合刚架桥的上述局限性，本研究提出了一种垂直预应力刚架桥（VP-RFB）。拟建桥梁的核心技术包括通过对已嵌入墩墙的钢筋施加垂直预应力，对钢梁引入预应力效应。对于VP-RFB，钢梁放置在先前建造的墩墙上，预埋在墩墙上的现有钢筋为预应力钢筋，从而在一个简单的跨桥中形成连续跨桥的力矩分布。通过这一点，可以减小设计力矩，进而减小梁截面，在墩墙上只需小型设备即可施工。

虽然对传统的整体式桥梁进行了大量的研究，但目前还没有一种采用垂直预应力的新型连接形式。Dicleli（2000）、Erhan和Dicleli（2009）提出了预应力混凝土梁整体桥的合理设计方法，其设计方法包括分析各施工阶段的整体桥和荷载分布，最近，Iwasaki等人（2011）引进三种钢-混凝土组合刚构桥。基姆等人。（2010）钢PSC（预应力混凝土）混合梁和Su等人提出的带平行全肋的接缝。（2012）研究了组合梁负弯矩区的非弹性行为。对整体式桥梁的研究大多集中在热荷载作用下整体式桥梁的性能和长期性能上。行为（Kim和Laman，2010年）。几位研究人员（Rodriguez等人，2011年；Lker-Kaustell等人，2010年）对整体式桥梁的动力特性进行了研究，并对不同连接方式下的环桥台连接荷载传递机理进行了深入研究（Iwasaki等人，2011年）。

本研究的主要目的是通过进行荷载试验，研究拟建桥梁的性能和强度，直至其失效。本文首先讨论了VP-RFB的原理和描述，然后介绍了全尺寸试验梁的描述，并详细介绍了试验程序。并给出了该桥的有限元模型。最后，对实验结果和数值分析结果进行了比较和讨论。

1. 拟采用的垂直预应力组合刚构桥

大多数组合刚构桥的弯矩分布都是简单的。除普通钢支架外，拟建桥梁还有额外的支架，该支架由高强度钢筋组成，用于在墩壁处施加预应力。换言之，拟建桥梁具有连续跨距结构体系，在桥端的两个支架和弹簧系数为k的高强度钢筋之间有一个距离（e），如图1所示。一般的复合刚构桥都表现出单跨的弯矩分布，而在单跨中，桥梁上的弯矩是正的。梁中心和支架处为负。这意味着，浇筑板混凝土时产生的弯曲力矩分布在梁中心和支撑处；因此，在

中心（Mc）与支座处产生的负力矩（Ma或Mb）一样减小。换言之，经济效益可以通过有效的压力分布来预测。

图一：垂直预应力组合刚构桥原理。

垂直预应力组合刚构桥的强度与性能

图二：端部高压钢筋的垂直预应力

考虑到e和k，图1中概念化的拟建桥梁的力矩可按方程式（1）和（2）计算。

其中e为梁的杨氏模量，l为净跨长，w为固定荷载（梁和桥面混凝土的自重），e为端部支座之间的距离。同时，k代表弹簧刚度高强度钢筋，可按式（3）计算。、

式中，L为高强度钢筋的长度，Ab为高强度钢筋的横截面积，Eb为高强度钢筋的杨氏模量。

上述工程原理可用于建造实际桥梁，如下所示。高强度钢筋垂直放置在墙内的锚固处，形成了一个双梁端结构体系。在梁上施加混凝土和预应力。该桥的优点是，在组合板混凝土浇筑之前，通过分布桥梁中跨和支撑点产生的弯曲力矩，减少所用钢材的数量。如图2所示，当高强度钢筋通过穿过放置在钢支座上的钢梁预先安装在墙体上时，通过液压系统进行预应力，由于杠杆作用，钢梁上发生上拱，钢梁上也出现纯弯曲力矩。同时。之后，当钢筋混凝土浇筑在混凝土浇筑后的边缘和板内时，由重量产生的力矩与先前由偏心产生的力矩相结合，与结果跨中正力矩和支座负力矩分布均匀，如图3所示。

图三 混凝土浇筑后的力矩分布

如前所述，将垂直预应力引入梁端的方法可以与引入纵向预应力的方法明显区别，纵向预应力已经应用于现有的组合梁桥和组合刚架桥。当采用该方法时，钢梁运至现场进行拼装，然后在施加预应力前先放在墙上。因此，预制梁不需要单独的场地和设施，从而避免了环境恶化、成本和进度增加等问题。此外，由于无附加夹具的钢梁可在现场组装，因此只能使用小型设备进行安装，使得在不易接近的现场安装更容易。因此，该方法可用于浅埋大跨度组合刚构桥的设计，比简支梁桥具有更大的经济价值。

1. 实验程序

垂直预应力组合刚构桥是一种新型的整体式桥梁结构，需要通过一个全尺寸的结构来预先验证其安全性。为了验证设计的可行性、结构性能和适用性，本研究对一座全尺寸桥梁进行了静载试验。本研究之测试程序大致可分为三个部分：一是观察桥墩墙内之高强度钢筋对梁施加预应力时所产生之反应。第二个问题是研究在试验桥梁制造过程中，由于板混凝土浇筑产生的恒载，在梁和钢筋的主要部位产生的响应。第三部分是试验桥梁完成后，对全尺寸桥梁施加荷载时的响应进行分析。

3.1。试验桥的设计与制造

如上所述，试验桥是在钢梁上施加垂直预应力而成的复合刚构桥。试验桥按钢筋混凝土恒载7.6千牛/米，钢重1.28千牛/米，沥青0.22千牛/米设计，考虑活载和冲击系数。试验桥尺寸如下：总长14.2米，净跨12.0米（钢梁支座间距12.6米），宽度2.4米，高度2.26米，混凝土设计强度27兆帕，钢梁尺寸488毫米times;300毫米times;11毫米times;18毫米，抗拉强度为490兆帕。墩墙处钢筋直径为19 mm，板处钢筋直径为16 mm。试验桥的具体尺寸如图4所示。

试验桥首先在结构实验室制作和安装墩墙。对于刚构桥，桥墩墙的基础设计为固定端，对于这座完整的桥梁，利用钢筋在实验室的坚固楼板上固定墩墙基础，然后将钢梁安装在预制的桥墩墙顶上，通过施加竖向预应力来产生预挠曲效应。在这里，垂直嵌入墩墙内的钢筋锚固用螺旋钢筋加固。

该桥的主要特点是在钢梁处采用高强度钢筋，产生了预应力效应。尺寸方面，名义直径为32mm，屈服强度为950Mpa。如图5（b）所示，通过使用容量为500kN的液压千斤顶施加预应力。对每根梁上布置的每一根高强度钢筋进行了预应力施加。为了弥补预应力的直接损失，并确保对每个高强度钢筋施加均匀的预应力，预应力每根高强度钢筋进行两到四次。结果采用安装在高强度钢筋上的应变计和液压千斤顶的压力计测量了169千牛的初始预应力尺寸。然而，由于预应力的直接损失和对边高强度钢筋施加预应力，高强度钢筋的最终有效预应力平均为108kN，预应力的平均损失约为35.5%。

在引入预应力后，在墩墙与板的连接处以及整个板上放置模板，然后装配钢筋。然后安装应变计。然后浇筑混凝土。上述制造照片如图5所示。

图四

图五

3.2。传感器布局和测试程序

在静载试验过程中，在跨中安装位移传感器，以测量各施工阶段的挠度。为了确定墩墙基础的固定端并测量地基的转动，在墩墙基础上设置四个位移传感器。应变计安装在钢筋、大梁和板上。为了分析高强度主要部件的应变钢筋当引入垂直预应力时，应变计安装在墩墙混凝土中埋有高强度钢筋的区域和浇筑板混凝土的区域。在中跨上下翼缘和钢支撑处安装应变片，分析钢梁的应变变化。此外，在墩墙和墩板的主要部位以及混凝土表面的钢筋上安装了应变计。由于负力矩预计会出现在墩墙的背面和顶部，因此在连接部分的钢筋和混凝土上放置了应变计。

试验桥在四点弯曲和加载直至失效的条件下进行。如图6所示，两个垂直伺服控制液压执行器位于离梁中心2.0 m的位置，并等距。由于试验桥的宽度为2.4 m，因此在执行机构的端部附加了一个2.5 m长的加载框架，以便将线荷载施加到整个板的宽度上。墩墙基础固定在坚固的楼板上。在桥墩墙基础的背面设置一个附加的框架，以防止桥墩壁旋转。考虑到实验的安全性，实验采用力控制法（加载速率0.2 kn/sec）进行控制，直到用肉眼检测到初始裂纹，并切换到位移控制法（加载速率0.02 mm/sec）。

1. 数值模拟

通过对该桥进行有限元分析，并与试验结果进行比较，验证了分析模型的有效性和准确性。试验桥的结构主要分为墩墙、钢梁、横梁、板和垂直钢筋束。为了分析这种结构的行为，必须选择能够模拟结构实际行为的有限元（Chung和Sotelino，2006）。为了考虑垂直预应力组合刚构桥的三维受力特性，建立了基于壳的数值分析模型。元素和三维纤维束元素。用于数值分析的商业有限元程序是ABAQUS（2007年）。ABAQUS具有出色的非线性分析性能，并提供纤维束元素和分层壳元素（Lin和Scordelis，1975；ASCE，1993；Hu和Schnobrich，1990；Phuvoravan和Sotelino，2005）。采用牛顿-拉斐逊方法，利用各种材料库进行非线性结构分析。

为了考虑三维效应，采用四节点Mindlin壳单元对组合刚架桥的墩墙和墩板进行了建模，而钢梁和横梁则采用两节点Bernoulli梁单元进行了理想化。采用桁架单元对垂直钢筋束进行垂直放置，并在施加初始荷载后建立平衡。为施加垂直预应力，对桁架构件施加应力。通过使用钢筋选项，将钢筋理想化为一个钢筋层。独立理想化的组合刚构桥的主要构件必须是整体的，才能作为一个单一的桥梁体系。为此，将运动约束应用于独立单元的节点，并利用变换矩阵确定各自由度之间的相关性。也就是说，刚性连接用于连接板和钢梁，连接板和钢梁和墩墙，以及连接垂直钢筋束和墩墙，以便它们作为一个单一的桥梁系统。本研究采用精确的复合刚架桥三维建模技术，将几何建模误差降到最小，在选择单元时，将形状函数的不连续性降到最小，以减少桥梁建模中可能出现的误差，从而提高分析结果的可靠性（Chung ANd Sotelino，2006年）。边界条件是固定的，假设试验桥的桥墩与强底板之间没有位移。图7显示了完整的三维有限元。分析中使用的混凝土、钢筋和钢梁的材料特性通过制造试验桥梁所用材料的标准试验获得，表1总结了材料特性。

1. 实验与数值分析结果

在本研究中，我们对所建桥梁的全尺寸模型进行了荷载试验和非线性有限元分析，以分析桥梁的开裂、混凝土屈服、钢筋和预应力钢筋屈服等行为。图8给出了在试验桥梁加载过程中安装在墩壁上的高强度钢筋的应变测量结果。在垂直预应力作用下，在板混凝土浇筑时，以及在试验桥梁完成后施加荷载时，对预应力钢筋的应变进行了测量，并积累了每一个测量的应变。分析表明，考虑到在最大荷载作用下钢筋的实测应变为1714mu;ε，其应变不超过4600mu;ε屈服应变的37%左右。

图9显示了在试验桥梁上施加荷载后跨中的挠度。通过使用安装在跨中的两个位移传感器获得的平均值来测量挠度。荷载试验表明，当施加最大荷载2666 kN时，跨中处的垂直挠度为155 mm。最大荷载后未发生附加荷载增大，跨中垂直位移180mm后，板顶混凝土发生局部压缩破坏。当荷载完全移除时，在跨中测量的剩余位移为129 mm。当荷载为450千牛时，可以在墩墙背面明显地确认荷载引起的初始裂缝；这可以确认。从非线性开始，大约在400到500千牛之间。此外，荷载-位移图从大约2100千牛显著变化，这可能是因为钢梁底部翼缘的屈服。

图9

资料编号：[3607]