文摘

提供一个有效的依据和参考应用预应力桥梁火灾后混凝土薄板梁,防火设计的方法和原则,修复、加固的横梁进行了讨论。以一个简单的支持和连续梁桥的高速公路服务作为样本,外观检测和无损检测的内部结构。四个代表全预应力混凝土梁。通过比较试验梁的极限承载力、挠度变形的规律,应变分布,裂纹形成和裂纹发展。通过结合有限元模拟和理论分析,极限承载力,复杂的力学特性,破坏这样的光束特性和破坏机理进行了研究。表示,结果如下:(1)引起的预应力损失将导致高度减少混凝土的剪切带,这是bending-shearing失败的主要原因之一的梁发生过纯弯曲破坏。(2)在某些操作负荷,脆性断裂更可能发生在这种梁的底面直接暴露于火。(3)混凝土破裂和剥落深度接触火后可作为特征参数用于此类火灾后的底面的快速识别。

1。介绍

公路交通在中国的蓬勃发展,越来越多的易燃易爆物品运输道路和桥梁火灾的数量正在增加。火,这影响了桥梁,不仅对国家造成的经济损失,还带来了潜在的安全隐患的服务桥梁,影响高速公路的正常运行。在中国,预应力混凝土桥梁占很大一部分完成桥梁的服务1]。空心板梁是最常见的形式的中期和短暂公路大桥的上层建筑,和大约35%的混凝土梁桥采用空心板结构(2]。

地板厚度的空心板梁之间通常是8厘米和15厘米,这是相对较薄。一旦暴露于火,其有效预应力将减少,和整体刚度的梁和板将会下降,影响整个桥梁的正常使用。当火灾发生时,完整的失败钢链和混凝土之间的粘结将导致结构破坏的脆性损伤梁和板,这将严重威胁交通安全,引起有害的社会影响。因此,它是必要的检查,进一步研究这些光束从火灾后桥梁的力学性能。

许多学者研究了预应力混凝土梁的力学性能后,火从不同的角度,包括材料特性、阻力计算方法,评价灾后承载力,新的防火技术。郑et al。315日)进行了防火测试预应力混凝土简支板和9双跨度无粘结预应力混凝土连续板。结果表明,混凝土更容易裂开等压力时更大的表面暴露于火。王等人。4)蠕变试验的高强度预应力钢筋在高温条件下,建立了高温蠕变模型的钢筋。考虑混凝土的蠕变的必要性,分析了预应力混凝土结构的耐火性能验证。丁等。5]研究了温度场和放松预应力混凝土梁和板通过数值模拟和模型试验当underbridge空间遇到火灾。结果表明,火灾后,钢铁股的预应力损失发生了梁、板等。火灾现场温度越高,引起的预应力损失越大。基于调查的发射时间和温度,火灾后预应力损失进行了分析。和灾后评估桥梁性能奠定了基础。Dwaikat和Kodur6)建立了高强混凝土破裂和剥落的整体模型基于混凝土孔隙水压力的影响,指出轴向约束对破裂和剥落性能有明显影响的混凝土梁,并认为高强混凝土有较低的耐火性能比普通混凝土由于其表面混凝土破裂的影响,降低渗透率。Kodur和Dwaikat7)研究的影响stress-temperature路径在预应力混凝土梁和板。一个数值方法考虑热力耦合效应,提出了。通过与实验数据相结合,预应力混凝土梁和板的耐火性能是习得的。Yun,全8)提出了一个方法来评估桥梁结构的火灾损失根据温度结构交互这个方法应用于预应力混凝土桥梁,分别。温度分布,成立偏转,其标准适合标准的防火测试结果。Zhang et al。9)温度场耦合计算方法用于探索丁字断面预应力混凝土梁的破坏模式的桥梁在不同火灾模式。这种梁的梁肋和凸缘板变形不同的火灾模式下跟踪。对于大跨度预应力混凝土箱梁桥(PC箱梁桥)。平贺柳泽et al。10)发现了一个方法,可以确定火灾后桥梁的破坏模式,减少火灾损失通过添加防火面板(FFP)。和方法的有效性通过真正的实践是在前方作证。考虑几何非线性、材料非线性和非线性热梯度,并结合之间的双向耦合热分析和结构分析,普拉卡什和斯利瓦斯塔瓦11]提出了一种非线性热分析方法对钢筋混凝土梁火基于直接刚度法。结果表明,该框架可以预测钢筋混凝土结构的响应。Alos-Moya et al。12)校准火灾模型通过使用瓦伦西亚桥火的温度结果测试由瓦伦西亚理工大学瓦伦西亚(西班牙)。火稳定模型的结果表明,一些只适合规模桥消防测试,不是实际桥梁火灾分析。Beneberu和Yazdani13)进行了全面的测试在一个单拱桥预应力混凝土桥结合烃火和模拟AASHTO活载。结果表明,没有防火措施,迅速碳纤维布会脱胶,导致严重的剥落的混凝土和预应力钢束的损失。Kodur et al。14]研究了组合箱形梁的耐火横向和纵向加劲肋形式提出一个方法来预测的失败时间拱弯矩区连续组合箱梁基于挠度比。结果表明,耐火性的连续组合箱梁可以显著提高了防止负弯矩区连续组合箱梁的火。

如上所述,研究预应力混凝土梁桥的力学性能后,火灾主要是集中在五个方面,包括材料性能、热性能、有效预应力损失机制,耐火性能测试的组件,烟气传播和数值模拟分析对整个桥。然而,研究机械性能的基础上全面梁火灾后仍然缺乏。在经历不同高温燃烧,预应力混凝土薄板梁的失效准则和形态尚未深入研究。本文获得变形,应变和裂缝发展,全面失败测试的光束。结合理论和数值分析,研究了几个属性,包括极限承载力,这样的束力特性和破坏机理。这些结果可以作为决策基础的实际防火设计、维护和强化类似的光束。

2。方法

2.1。测试组件的来源和分类

预制9×20米预应力混凝土空心桥在职在分裂宽度省级高速公路设计,和每个宽度包含16个空心板梁15]。这座桥的最低层厚度是15厘米,钢铁股的净保护层厚度是3.6厘米,与设计值的标准混凝土立方体抗压强度是50 MPa。每个中间束这座桥是装备着14钢链,和这些钢的有效长度链表所示1。每个预应力钢束由6×Φs 15.2,标准预应力筋的抗拉强度1860 MPa的压力和张力控制是1395 MPa。高程和中间板的钢筋图所示1。

所有可靠的样品在这项研究来自于空心板从上面的桥在暴露于火由于油罐车在其底部。第六洞下的油罐车在滚桥,导致油箱破裂和燃烧。燃料流动沿路第七洞然后烧了一个大区域。因此,梁板的底面在6号和7号洞附近直接被火焚烧近两个小时(侧面并未直接烧毁)。

根据外观测试结果,空心板梁的网络并不是直接由火焚烧源,抗剪承载力影响不明显。因此,小web板损坏被发现。此外,多个起重和运输后,大部分的梁和板支点附近有不同程度的损害。因此,它是非常重要的抗弯承载力测试,这是我们的主要测试。空心板分为四类分化程度的火灾后损伤后的实验。见表2和图2。其中,梁2 #参考光束,它几乎不受火灾影响。证明过程将节中讨论3如下所示,通过数值模拟和实验的比较这些光束。

2.2。加载装置

加载装置包括加压杰克,橡胶轴承,焊接h形钢梁和反力梁,数字显示压力环、Φ32 fine-rolled钢筋,和重力地面锚固装置。压力产生的杰克是应用于纵向加载梁的形式反应部队通过地面锚固装置。然后,力从纵向梁空心板结构通过一个橡胶轴承钢(pad)。正截面的最大弯矩和最大剪力从三分之一到三分之二的跨度一直被认为同时在测试加载装置。装运安排详细布局图3,现场加载情况如图4^。

2.3。加载测试的过程

每个梁的试验分为两个加载条件。第一个条件意味着加载,直到每个截面达到或接近设计值的极限弯矩,而第二个条件意味着加载到实际最终失败状态或加载到测试终止条件。加载过程如表所示3。请参考相关规范测试终止条件。

2.4。测试项目和方法

2.4.1。梁的挠度和码头沉降测量

梁的挠度和试验台测量在各种加载条件下利用AL-ML32高精度水准测量仪图所示5。数量的偏转和结算在四分之一的跨度,四分之三的跨度,中跨可以通读preembedded铟钢统治者。

2.4.2。应变测量的关键部分

两岸的空心板梁、沿高度方向的网,桥梁应变仪安排测量,特别是在一个季度,四分之三,八分之一,3/8的时间长度,和中跨。

详细的测点布置如图6。

2.4.3。裂缝的观察记录和破坏模式

在测试前,选中的光束的初始条件是仔细检查,原始裂缝明显,原始裂缝图详细了。双方的空心板梁腹分为20平方厘米网格在相等的时间间隔记录的参考坐标系统在混凝土表面裂缝。在测试过程中,出现裂缝是画在梁和记录,和相应的负载大小裂缝出现时明显。同时,选取了几个具有代表性的裂缝来跟踪和测量宽度的变化。

2.5。数值模拟

据然et al。15后,获得材料的机械性能参数,预应力混凝土梁的极限承载力进行了分析。和有限元分析方法应用在这个过程以满足工程精度要求。数值模拟和实验的比较证明了梁2 #几乎不受火灾影响,因此可以作为参考光束(15]。一般的大型有限元软件ANSYS用于建模。应该选择混凝土SOLID65元素。混凝土的应力-应变关系模型的一个重要组成部分的非线性分析火灾后混凝土空心板。和动态硬化模型用于模拟。具体的故障判据,打开裂缝剪切传递系数设置为0.7试验计算相关经验的基础上,和封闭裂缝的剪切传递系数设置为0.95。混凝土的单轴应力-应变可以在找到15]。钢铁股LINK8单元模拟,不考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移,和钢铁股双线性各向同性强化模型模拟的双线性考虑加强。考虑的影响,普通钢筋分散成具体的元素定义实常数的方法(箍筋的钢筋率和纵向和横向钢筋)。为了防止应力集中造成提前跳出来计算,一个单元的弹性模量的100倍的具体设置加载位置和轴承的桥梁。当分裂元素,使用一个六面体的映射网格。桥元素的数量总共是5918,和节点的数目是8266。有限元模型如图7。

3所示。结果和讨论

由于要求保持桥梁外观和无损检测在早期阶段,试验台的床上有一个明确的1.2米的高度。因为杰克的安全注意事项和工作行程有限,提前加载测试停止在空心板梁之前被完全摧毁。所以,没有完整的结构破坏,如混凝土破碎、梁断裂,梁板崩溃。结构的主要反应在测试期间学会了:(1)随着负载的增加,梁的挠度继续增加,变形逐渐发展从线性到非线性时总负载大于16吨。(2)原始裂缝逐渐扩大,新裂缝的地方第一次出现是在5 m的纵向距离中跨,逐步向支点随着加载的进行扩展。当负载的增加平均裂缝间距逐渐减小。

裂缝被发现在中跨纵向距离是5.5米。当这些斜裂缝在斜裂缝的主要肌腱张力下首先超过1.5毫米的垂直宽度,装运了。典型的失效模式如图8和表4。从表中可以看出,随着梁的损伤程度的增加,试验梁的破坏模式的变化;即剪切破坏发生在纯弯曲破坏。仔细考虑后成立的主要原因。随着火灾温度的增加,有效预应力的底板在四分之一的跨度会逐渐减少,和轴向压力,防止斜裂缝的出现和发展将减少。此外,由于钢链和混凝土材料的强度降低,最终这种梁的破坏模式的变化。

4所示。分析

4.1。位移的分析

以下4.4.1。正常加载位移

中跨的normal-loaded挠曲负荷曲线如图9。从图,displacement-load关系梁2 #,3 #梁,梁4 #总负载时线性分配从0到16吨(就称之为“约t阶段”在以下段落)。梁的displacement-load 4 #“主t阶段”是线性的。在“15∼32t”阶段,空心板梁的刚度测量2 #,3 #,4 #有所下降,与向下偏转值中跨的加速。在“5∼32t”阶段,空心板梁的刚度4 #有所下降。而在“5t阶段,“减少刚度明显但不太锋利的加载过程中。

火灾后的空心板梁,由于外观和微裂隙或裂缝的发展,以及预应力的损失,空心板部分的结构刚度退化。这一现象被定义为便利的刚度退化。通过比较这种刚度退化,精确的表现这些4梁将习得的。空心板梁2 #基本上是不受火灾影响,因此可以作为我们的基准的刚度。在相同的负载水平下,剩下的梁,梁的挠度比2 #的定义是相对火灾后退化刚度K_f,计算公式如下所示: 在哪里δ₀未燃烧的梁的跨中挠度和吗δ_我梁的跨中挠度吗我#在相同负载。

当最大总负载在正常加载是32t,它可以从表5的最大弯矩中相应的纯弯曲部分中跨1906 kN,已达到设计极限。计算使用的材料设计值计算,按照规定“JTJ d62 - 2004代码设计公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁和涵洞”(16]。相对火灾后退化刚度K_f梁3 #,4 #,5 #,分别为89.4%,81.5%,76.1%。因为这四个选择梁最初位于相同的两个相邻洞大桥,4梁的刚度在火可以被认为是平等的,和火后光束的质量分布应该是不变。的K_f价值是一致的3、4、5的边界桥梁固有频率评估量表,从法规称为“JGJ / T j21 - 2011规范检验和评价高速公路承载能力的新娘”(17),这意味着这四个梁的考验是非常典型的。

混凝土和钢筋材料的力学性能会降低桥梁火灾后不同程度。当过热的温度超过300°C,弹性模量(E自然冷却后混凝土的烧毁之前只有0.75倍。过热温度越高,弹性模量的降低系数就越大。当过热的温度超过800°C,自然冷却后混凝土弹性模量的降低系数只有0.03。火灾会造成钢筋的弹性模量降低冷却后,但其降低系数小于混凝土在同样的温度过热。,系数为0.9时,过热温度为400°C。虽然钢链的弹性模量几乎是减少火灾后,钢链的有效预应力将减少,这将导致梁的整体刚度降低。结果,当火灾温度的增加,冷却后桥梁的刚度逐渐减少。

4.1.2。在极限荷载条件下位移

总结了极限载荷的结果表6和图10。从表中,梁的极限弯矩2 #,3 #,4 #,5 #减少先后。和梁的极限弯矩5 #梁相比只有76.4%不暴露于火,这是减少了23.6%。相应的挠度梁的极限弯矩值2 #,3 #,4 #,5 #正逐渐增加。因此,火灾损失越来越严重,最终破坏模式逐渐从延性变化未能脆性破坏,特别是对梁5 #。最终的失败后,梁的挠度5 #前只有28.5%的火。

图11是有限元模拟值之间的对比图2 #梁和未燃烧的梁。梁的跨中挠度2 #几乎等于开裂前的模拟值。和只有一个偏转开裂前后的细微差别,从而进一步证明梁2 #是不受火灾影响,可以用作参考光束。混凝土和钢筋材料的力学性能会降低桥梁火灾后不同程度。自然冷却后混凝土抗压强度的换算系数只有0.8倍的力量在火前,当过热温度超过300°C (18,19]。时强度降低系数的增长过热温度增加。下,系数达到0.2过热温度超过800°C。火会引起钢筋的屈服强度降低后冷却,但其换算系数小于混凝土在同样的过热温度。系数是0.95在400°C(过热温度)。高温后,预应力钢筋的屈服强度与最高温度有一定的关系和初始应力水平20.]。强度极限和屈服强度一般随温度的增加减少。同时,火灾不仅会导致钢筋的物理性质和钢链减少,也减少了它们之间的结合力及其包装混凝土(21]。随着过热温度的增加,混凝土剥落变得更严重,钢链的有效应力分布更不均匀沿纵向方向(22,23]。逐渐增加的负荷,这种现象就更加明显,这将导致钢筋(钢链)收益率混凝土压缩前崩溃。和这一现象非常类似于加固不足的梁的失败。以下测试结果全面压缩应变和裂缝分布的图可以深入地证明这一点。(1)当梁2 #失败,出现的裂缝和密度相对较短。梁的裂缝间距和平均宽度2 #梁的小得多,5 #。(2)2 #梁的压应变超过0.002,0.0008梁5 #当失败。基于以上两个原因,梁的破坏模式2∼5 #逐渐从韧性未能脆性破坏。

4.2。应变分析

4.2.1。准备正常负载压力

正常加载应变结果如表所示7和8和数字12和13。装货的人物,在初步阶段(当总装船重量小于7t),strain-load关系是线性的。拉伸试验混凝土strain-load曲线显然是非线性当装船重量大于7t,表明无形的微裂隙拉伸方面将逐渐出现在加载过程的中期和后期。在最后加载过程,当总载重量为32.2t梁的应变张力一边2 #,3 #,4 #,5 #逐渐增加。换句话说,光束的强度2 #,3 #,4 #,5 #依次降低。卸载后,所有选定梁的残余压力小于20%。

在空心板梁火,空心板混凝土强度的部分将相应降低。为简单起见,这种现象被称为过热退化强度在本文的后面部分。如前所述,梁2 #是参考光束,其混凝土强度可以被视为基准。因此,相对overfire-degradation强度(问_f)可以由以下公式:

n公式,ε₀未燃烧的梁的跨中挠度和吗ε_我梁的跨中挠度是我#在相同的负载。

从表8,当最大总负载在正常加载是32t,相应的纯弯曲的最大弯矩截面在中跨1906 kN m。和本节的极限弯矩设计值。相对过热退化强度问_f梁3 #,4 #,5 #,分别为85.7%,71.5%,49.1%。考虑增加造成的拉伸应变后加载过程中混凝土微裂隙,相应的梁小于这个值的相对刚度退化后暴露于火K_f。

4.2.2。极限载荷应变

每个梁的压应变结果结束时最终加载过程的条件如表所示9。在最终失败,在压缩的压缩应变梁2 #和3 #超过0.002,而梁的压应变5 #,受损最严重的火灾,只有814με。和混凝土材料的强度还远未被充分的利用。混凝土的应变加载历史在压缩方面的一个典型的梁如图14。

4.3。裂缝发展分析

4.3.1。裂缝发育在正常装载

在正常的加载过程中,没有出现明显的裂缝出现在梁的身体。

4.3.2。裂纹发展极限载荷作用下

检查表10加载力的可见裂缝发生在梁体。可见裂缝出现时,梁的加载吨位2 #,3 #,4 #,5 #依次降低。几个原因如下所示:(1)桥底板块直接燃烧着火时,导致有效预应力的损失和减少减压的时刻。(2)混凝土的抗拉性能会降低冷却后当过热温度超过300°C。(3)其他原因,如减少钢筋和混凝土之间的粘结强度,也会造成梁板的弯矩减少暴露于火灾后减少。

极限载荷后终止,试验梁的裂缝图所示15。最终的失败发生时,平均裂缝间距的2 #,3 #,4 #,5 #梁网陆续增加。和裂缝的长和宽的比例增加。梁的平均裂缝间距5 #是两倍的距离梁2 #当摧毁。

5。结论

摘要外观检查和分类的预应力混凝土薄板梁火灾后删除操作进行高速公路。在此基础上,选择四种典型的全面梁弯曲破坏试验研究。和普通模式后这种薄板梁的力学性能的桥梁火灾。在某种程度上,这些结果弥补不足的温度场耦合的数值计算方法,和以下结论最初获得:(1)下降深度和面积暴露于火灾后混凝土可作为特征参数用于底部表面的快速识别桥梁火灾后预应力混凝土薄板梁。(2)脆性破坏的主要模式是梁板混凝土脱落在97%区域特征深度超过2.6厘米在底面直接暴露于火。因此,它是不适当的使用薄板梁为繁忙的公路网络运输危险化学品。(3)引起的预应力损失将导致高度减少混凝土的剪切带,这是bending-shearing失败的主要原因之一的梁发生过纯弯曲破坏。(4)只有空心板的底面直接暴露在火在这个研究。因此,当典型的底板的混凝土剥落深度接近火之后的净保护层钢链,抗弯承载力在火的只有76%。(5)预应力混凝土薄板梁的力学性能,其底板和网络同时高温燃烧需要进一步的研究。

数据可用性

部分或全部数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

财政支持山东省交通科技项目(批准号2017 b62)是由第一和第二作者欣然承认,分别。