简支梁桥pva-ecc桥面连接板设计

简支梁桥pva-ecc桥面连接板设计

ecc（车辆断裂复合材料）材料根据使用的纤维类型可分为纤维epc、钢纤维epc、peecc和聚乙烯醇epc（pva-cec）。在高延长和切割负荷下，采用pe-cec和聚乙烯醇pec（pva-cec）形成。1992年,美国密歇根大学先进土木工程材料研究工作实验室开展了ECC的研究。许多公路桥梁是由多跨简支梁组成,主梁为钢梁或预应力混凝土梁,支撑着上面的现浇混凝土桥面板。桥面连接板是指简支梁桥的两跨或多跨桥在跨间桥面横向连接缝处的连接板。简支梁的端部处的桥面板应该能满足由主梁变形,混凝土收缩和温度变化所引起的桥面板变形量。众所周知设置在桥面横向连接缝处的伸缩装置的安装和维修费用均非常昂贵。把桥面板做成连续桥面是减少桥面接头的常用解决途径之一,但调查统计资料表明,采用普通混凝土连续桥面的简支梁桥横向连接缝处开裂渗水病害严重并影响桥梁的使用寿命。2005年,美国的密歇根州在修补横跨94号州级公路的一座高速公路大桥时,由于桥面连接板对延性要求和耐久性要求很高,采用了ECC材料作为桥面连接板,是ECC材料在公路交通中应用的一个实例。文中从结构力学和材料特性的角度对桥面连接板进行研究,对新材料PVA-ECC用于桥面连接板的力学性能进行了分析,对比了普通混凝土桥面连接板与PVA-ECC连接板的性能。1横向开裂破坏桥面不连续的简支梁桥在两跨之间桥面板处设置伸缩装置,由于梁热胀冷缩和混凝土干缩所产生拉伸和挤压,雨水和融雪剂融化的水在此处渗漏,从而腐蚀桥梁钢筋,使桥梁破坏。桥面连续的简支梁桥桥面铺装层在横向连接缝处的开裂主要发生在连接缝的1~2m范围内,一般开裂位置出现在桥墩两支座中心对应桥面。这种横向开裂的主要原因是:①当桥梁承受荷载时,会使梁端产生转角,带动支座处桥面铺装的转动,使桥面铺装向上挠曲,从而混凝土开裂。当荷载消失时,桥梁趋于恢复,开裂闭合。经过多次这样反复的过程,从而使混凝土开裂宽度超出正常使用要求;②热胀冷缩。在冬季,由于温度过低,桥梁横向收缩,使在桥梁横向连接缝上的桥面铺装层处产生拉力,混凝土开裂。在夏季,由于温度高,桥梁横向膨胀,从而在桥梁横向连接缝上的桥面铺装层处产生压力而使桥面铺装层凸起。这种季节性破坏的反复发生,从而使桥面开裂宽度加大,超出正常使用要求;③混凝土干缩。由于桥梁混凝土干缩从而使桥面铺装产生拉力而开裂。当混凝土裂缝的开裂宽度小于100μm时,混凝土的渗透系数和开裂的混凝土渗透系数相同。当裂缝宽度超过混凝土的渗透极限(裂缝宽度100μm)时发生渗水,进而腐蚀桥梁内部钢筋,使桥梁破坏。2内固定安装板的力和变形量2.1连接板弯矩的计算主梁是简支的,当桥面不连续时,桥面横向连接缝处一般安装伸缩装置,从受力上分析,相邻两跨梁是单独受力横向接缝处是不出现负弯矩的。当桥面连续时,主梁简支而桥面连续,荷载作用下在连接板中会产生负弯矩如图1,(这个负弯矩相对于桥梁跨中弯矩很小,其大小受桥梁刚度和连接板刚度之比的大小影响)。一般情况连接板的构造在横向接缝附近一定范围内设置脱胶区,即在主梁和连接板之间铺一层油毡或其它隔离层,使得连接板可以自由伸缩。脱胶区两侧区段设置抗剪连接件。对于桥面连续的简支桥梁,显然连接板两端同时发生转角时是最不利的状态,根据结构力学位移法可求出负弯矩。首先建立一个计算模型,我们把连接板假设成一个两端固结的梁,连接板的弹性模量E;连接板的惯性矩为I;连接板脱胶区长度为L1。当连接板的左右端同时发生转角,左端发生转角-θ,右端发生转角θ时,弯矩计算公式如下(如图2):M=2EIθL1(1)Μ=2EΙθL1(1)由上述弯矩公式,连接板的材料和尺寸确定之后,影响连接板弯矩大小的因素只有梁端的转角θ。由弯矩公式(1)可知,在脱胶区部分的连接板所承受的剪力为零,脱胶区端部到连接板端部之间的板所承受的剪力为V=2EIθL1L2(2)V=2EΙθL1L2(2)其中L2为连接板脱胶区端部到连接板端部的距离,梁两端同时发生转角θ时整个连接板所承受的弯矩(M)图和剪力(V)图,如图3所示。2.2定量的纵向变形桥面在温度变化,混凝土干缩和荷载作用下会产生一定量的纵向形变。对于一般桥梁来说这个变形量由三个部分组成,分别是由温度变化所引起的变形量,由混凝土干缩所引起的变形量和由荷载作用所产生的变形量。(1)热膨胀系数法钢筋混凝土主梁由于温度变化所产生的应变可以用以下公式求得:ε1=αΔTLL1(3)ε1=αΔΤLL1(3)式中,α为钢筋混凝土的热膨胀系数;ΔT为温度的变化量即温差;L为主梁的跨度;L1为连接板脱胶区的长度。(2)混凝土伸长系数由混凝土干缩所引起的变形量可以用以下公式求得:ε2=αLb(4)式中,α为混凝土的伸缩系数;L为桥梁的跨度;b为伸缩折减系数(对于预应力混凝土梁,还要考虑徐变所引起的变形量)。(3)梁端转角弯矩的测定这个变形量是由于梁端产生一定的转角,且连接板固结在桥梁上,从而使连接板产生一定的变形。对于这个变形量,我们只要找到梁端所发生的最大转角,即可估算出这个变形量的最大值。由JTGD62-2004《公路钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》规定,桥梁跨中所允许的最大挠度为跨度的1/600。根据材料力学挠度和梁端转角计算公式,可以得出梁端转角的计算公式(5),再由上述的弯矩计算公式(1)可以求出弯矩值。根据材料力学应变公式可以求出相应的应变:θ=Δmax⋅aΔ=Δmax(PL216EI)/(PL348EI)(5)θ=Δmax⋅aΔ=Δmax(ΡL216EΙ)/(ΡL348EΙ)(5)ε3=MdyEI(6)ε3=ΜdyEΙ(6)式中,Md按跨中达到最大挠度时连接板弯矩设计值,y为中和轴到受压区边缘的距离。由上述变形量可得到总应变为:ε=ε1+ε2+ε3(7)通过上述的分析可知,连接板可产生的实际应变应大于总应变的值,即满足要求。3预应力和应变分析PVA-ECC纤维混凝土和适量的钢筋做成的连接板有良好的受力性能,这种连接板在纤维体积掺量小于2%的情况下.其极限拉应变通常在3%~7%的范围内,且具有多缝均匀开裂的特点,可以很好地改善普通混凝土连接板由于易脆性、弱拉伸性而导致的种种病害。根据上述分析可得出了连接板弯矩设计值Md,为了求PVA-ECC连接板本身的弯矩承载能力极限值,分析截面受力阶段的应力和应变(如图4所示),考虑受拉区PVA-ECC具有的拉应变和拉应力(普通混凝土不考虑拉应力),截面的弯矩承载能力极限值:M=Tsteeld+TEcc−2[(1−nε)d+c2+nεd]+23TEcc−1nεd+23CEcc(H−d−c)Μ=Τsteeld+ΤEcc-2[(1-nε)d+c2+nεd]+23ΤEcc-1nεd+23CEcc(Η-d-c)其中,屈服应变力:nε=εty0.4εy−steelPVA−ECCnε=εty0.4εy-steelΡVA-ECC连接板内受拉钢筋抗拉强度Tsteel=(0.4fy-steel)ρtsbPVA-ECC屈服前抗拉强度:TEcc−1=(12)σtynεdbΤEcc-1=(12)σtynεdb屈服后的抗拉强度:TEcc-2=σty[(1-nε)d+c]bPVA-ECC连接板在受压区的抗压强度:CEcc=(12)σty(1nε)(1d)(ts−d−c)2bCEcc=(12)σty(1nε)(1d)(ts-d-c)2b设计时调整PVA-ECC连接板的初始配筋率或PVA-EC