粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法技术

本发明专利技术公开的粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，通过评估锈蚀影响下混凝土锈胀开裂和钢绞线的粘结强度，引入等效粘结强度概念考虑荷载裂缝对粘结强度分布的影响，建立荷载作用下锈蚀钢绞线的受力表达式；引入变形协调系数量化锈蚀钢绞线与混凝土间的变形不协调，明确构件横断面内的应力、应变分布规律；建立锈蚀PC梁截面内的受力和弯矩平衡方程，得到锈蚀PC梁抗弯承载力计算方法；本发明专利技术提出的粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法可综合考虑锈蚀引起的钢绞线截面积减小、材料劣化、混凝土开裂、粘结退化及荷载裂缝等因素的影响，对既有PC梁桥剩余承载力的评估具有重要地指导意义。

Calculating Method of Flexural Bearing Capacity of PC Members Affected by Degradation of Bond

The method for calculating flexural capacity of PC members under the influence of bond degradation disclosed in the present invention is based on the evaluation of concrete expansion cracking and steel strand bond strength under the influence of corrosion, the concept of equivalent bond strength is introduced to consider the effect of load crack on bond strength distribution, and the force expression of corroded steel strand under load is established. Deformation compatibility coefficient quantifies the inconsistency of deformation between corroded steel strand and concrete, and clarifies the distribution law of stress and strain in the cross-section of the component; establishes the force and moment balance equation in the cross-section of corroded PC beam, and obtains the calculation method of flexural bearing capacity of corroded PC beam; and the flexural bearing capacity of PC member under the influence of bond degradation proposed by the present invention. The force calculation method can comprehensively consider the factors such as the reduction of section area of steel strand caused by corrosion, material deterioration, concrete cracking, bond degradation and load cracking. It has important guiding significance for the evaluation of residual bearing capacity of existing PC girder bridges.

【技术实现步骤摘要】
粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法
本专利技术涉及承载力计算方法
，具体是一种粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法。
技术介绍
预应力混凝土(PC)由于具有跨越能力大、耐久性好等特点，目前已广泛应用于桥梁工程。然而，近年来PC桥梁的失效事故时有发生，既有桥梁的安全性已引起了广泛关注。钢绞线锈蚀是造成既有PC梁承载力退化的主要因素之一。首先，锈蚀会引起钢绞线截面积减小，材料劣化，混凝土开裂及粘结强度退化。此外，荷载裂缝的出现也会影响抗弯承载力的大小。这些因素均会造成既有PC梁抗弯承载力的下降。如何评估锈蚀PC梁的剩余抗弯承载力是确保其正常使用和安全性的前提。目前针对锈蚀普通钢筋混凝土梁的剩余抗弯承载力已开展了大量的理论研究。然由于钢绞线具有高应力状态及捻制截面形状等特点，使得其锈蚀对PC梁抗弯承载力的影响更为复杂。文献调研表明，针对锈蚀PC梁剩余抗弯承载力的计算方法十分匮乏。部分学者忽略粘结退化的影响，基于应变协调原理对钢束断裂影响下PC梁的剩余承载力进行了预测。也有部分学者引入应变不协调理论对锈蚀PC梁的抗弯承载力进行评估，但该方法无法考虑锈胀开裂及荷载裂缝等因素的影响。现有的PC梁抗弯承载力计算方法无法综合考虑锈蚀引起的钢绞线截面积减小、材料劣化、混凝土开裂、粘结退化及荷载裂缝等因素的影响。为此，本专利技术提出了一种粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，该方法的优势在于可综合考虑锈蚀引起的钢绞线截面积减小、材料劣化、混凝土开裂、粘结退化及荷载裂缝等因素的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，以有效解决上述技术问题。为有效解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案如下：粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，该方法包括以下步骤：(1)锈裂影响下钢绞线粘结强度预测：根据构件基本尺寸，确定几何参数取值，采用厚壁薄筒理论对混凝土的锈胀开裂进行模拟，建立锈蚀钢绞线与混凝土界面间胶着力、约束力和锈胀力的表达式，进而预测锈蚀钢绞线的粘结强度；(2)荷载裂缝影响下粘结强度评估：引入一个等效粘结强度概念来考虑粘结强度沿梁长方向的分布，提出等效粘结强度计算方法；(3)建立荷载作用下钢绞线的受力表达式：构建锈蚀影响下有效粘结力、残余粘结力和有效预加力的计算方法，建立荷载作用下锈蚀钢绞线张拉力的表达式；(4)提出锈蚀PC梁抗弯承载力计算方法：引入一个变形协调系数来考虑极限状态下钢绞线与混凝土间的应变不协调，明确构件横断面内的应力、应变分布规律，建立锈蚀PC梁的受力和弯矩平衡方程，提出其抗弯承载力计算方法。特别的，所述步骤(1)还包括以下步骤：混凝土锈胀开裂过程中，粘结强度的计算如下：锈蚀钢绞线的粘结强度主要由钢绞线与混凝土交界面间的胶着力、约束力和锈胀力来提供，其表达式为公式(1)：τη＝τa+τb+τc式中，τη为锈蚀钢绞线的粘结应力，τa为锈胀力引起的粘结应力，τb为交界面间的胶着力，τc为交界面间的约束力；锈蚀钢绞线与混凝土交界面锈胀力引起的粘结应力可表示为公式(2)：τa＝kcpc式中，kc为锈蚀钢绞线与混凝土界面间的摩擦系数，Pc为钢绞线-混凝土界面间的锈胀力；保护层开裂前，锈胀力主要由开裂混凝土的剩余拉应力和未开裂混凝土的约束力共同抵抗，钢绞线-混凝土界面间的锈胀力可表示为公式(3)：式中，R0为锈蚀前钢丝的半径，Pu为开裂和未开裂混凝土交界面位置的锈胀力，Ru为开裂混凝土的半径，r为开裂混凝土区域的位置，σθ(r)为开裂混凝土的环向应力；保护层开裂后，锈胀力主要由开裂混凝土的剩余拉应力来抵抗，钢绞线-混凝土界面间的锈胀力可表示为公式(4)：锈蚀钢绞线与混凝土交界面间的胶着力可表达为公式(5)：式中，k为同一截面上钢绞线的横肋数目，Ar为横肋面积，D为锈蚀钢绞线直径，δ为横肋与钢绞线轴线间的夹角，θ为钢绞线与混凝土间的摩擦角，sr为横肋间距，fcoh为界面间胶着力系数；锈蚀钢绞线与混凝土交界面间周围混凝土的约束力可表达为公式(6)：式中，Cr为横肋的形状系数，px为失效时钢绞线所受的最大压力。特别的，所述步骤(2)还包括以下步骤：等效粘结强度概念的引入方法如下：当无荷载裂缝存在时，锈蚀构件沿梁长方向各位置处的锈胀力大小一致呈均匀分布。然荷载裂缝的出现会减低混凝土的约束作用，裂缝位置处的锈胀力几乎全部退化，而相邻裂缝中间位置处的锈胀力则基本保持不变。将裂缝位置处的锈胀力定义为0，而相邻裂缝中间位置处的锈胀力定义为Pc，锈胀力沿梁长方向假定呈直线变化，则锈胀力在任意位置处Pc(z)可表示为公式(7)：式中，z为沿梁长方向的任意位置，lm为平均弯曲裂缝间距；引入一个等效概念来考虑锈胀力沿梁长方向的分布，则平均锈胀力Pav可表示为公式(8)：考虑荷载裂缝的影响，极限状态下锈蚀钢绞线的等效粘结强度τaη可表示为公式(9)：τaη＝kcPav+τb+τc。特别的，所述步骤(3)还包括以下步骤：有效粘结力、残余粘结力和有效预加力的计算如下：荷载作用下钢绞线所受的张拉力可通过有效粘结力、残余粘结力和有效预加力进行计算，可表达为公式(10)：Fp＝Feb+Fer+Feη式中，Fp为钢绞线的拉力，Feb为有效粘结力，Fer为残余粘结力，Feη为有效预加力；锈蚀钢绞线的有效粘结力主要取决于交界面的粘结应力及接触面积，可表达为公式(11)：Feb＝τaηSLeb式中，S为锈蚀钢绞线的周长，Leb为有效粘结长度；残余粘结应力可以通过有效粘结应力进行评估，其值等于40％的有效粘结应力。锈蚀钢绞线的残余粘结力可表达为公式(12)：Fer＝0.4τaηSLer式中，Ler为滑移区长度；锈蚀钢绞线的有效预加力与锈蚀率之间存在线性关系，可表达为公式(13)：Feη＝(1-ρ)Fpe式中，Fpe为未锈蚀钢绞线的初始预加力，ρ为钢绞线的锈蚀率。特别的，所述步骤(4)还包括以下步骤：受力和弯矩平衡方程的构建如下：粘结强度的退化会导致钢绞线与周边混凝土的应变不协调，引入一个变形协调系数来考虑极限状态下钢绞线与混凝土间的应变不协调，钢绞线位置处混凝土的应变εcp可表达为公式(14)：εcp＝εp/δ式中，δ为变形协调系数，εp为极限状态下钢绞线的应变；通过引入的变形协调系数可以明确锈蚀PC梁横断面内的应力、应变分布规律，进而建立锈蚀PC梁的受力和弯矩平衡方程，可分别表示为公式(15)及(16)：Fc+F′s-Fp-Fs＝0M＝Fc(hp-yc)+Fs(h0-hp)+F′s(hp-a′s)式中，Fc为混凝土合力，Fs和F′s分别为受拉区和受压区普通钢筋的合力，M为外部荷载引起的弯矩，hp、h0和a′s分别为钢绞线，受拉钢筋和受压钢筋重心至梁顶的距离，yc为混凝土等效应力矩形中心至梁顶的距离。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，通过评估锈蚀影响下混凝土锈胀开裂和钢绞线的粘结强度，引入等效粘结强度概念考虑荷载裂缝对粘结强度分布的影响，建立荷载作用下锈蚀钢绞线的受力表达式；引入变形协调系数来量化锈蚀钢绞线与混凝土间的变形不协调，明确构件横断面内的应力、应变分布规律；建立锈蚀PC梁截面内的受力和弯矩平衡方程，得到锈蚀PC梁抗弯承载力计算方法；该计算方法可综合考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)锈裂影响下钢绞线粘结强度预测：根据构件基本尺寸，确定几何参数取值，采用厚壁薄筒理论对混凝土的锈胀开裂进行模拟，建立锈蚀钢绞线与混凝土界面间胶着力、约束力和锈胀力的表达式，进而预测锈蚀钢绞线的粘结强度；(2)荷载裂缝影响下粘结强度评估：引入一个等效粘结强度概念来考虑粘结强度沿梁长方向的分布，提出等效粘结强度计算方法；(3)建立荷载作用下钢绞线的受力表达式：构建锈蚀影响下有效粘结力、残余粘结力和有效预加力的计算方法，建立荷载作用下锈蚀钢绞线张拉力的表达式；(4)提出锈蚀PC梁抗弯承载力计算方法：引入一个变形协调系数来考虑极限状态下钢绞线与混凝土间的应变不协调，明确构件横断面内的应力、应变分布规律，建立锈蚀PC梁截面内的受力和弯矩平衡方程，提出其抗弯承载力计算方法。

【技术特征摘要】
1.粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)锈裂影响下钢绞线粘结强度预测：根据构件基本尺寸，确定几何参数取值，采用厚壁薄筒理论对混凝土的锈胀开裂进行模拟，建立锈蚀钢绞线与混凝土界面间胶着力、约束力和锈胀力的表达式，进而预测锈蚀钢绞线的粘结强度；(2)荷载裂缝影响下粘结强度评估：引入一个等效粘结强度概念来考虑粘结强度沿梁长方向的分布，提出等效粘结强度计算方法；(3)建立荷载作用下钢绞线的受力表达式：构建锈蚀影响下有效粘结力、残余粘结力和有效预加力的计算方法，建立荷载作用下锈蚀钢绞线张拉力的表达式；(4)提出锈蚀PC梁抗弯承载力计算方法：引入一个变形协调系数来考虑极限状态下钢绞线与混凝土间的应变不协调，明确构件横断面内的应力、应变分布规律，建立锈蚀PC梁截面内的受力和弯矩平衡方程，提出其抗弯承载力计算方法。2.根据权利要求1所述粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括以下步骤：混凝土锈胀开裂过程中，粘结强度的计算如下：锈蚀钢绞线的粘结强度主要由钢绞线与混凝土交界面间的胶着力、约束力和锈胀力来提供，其表达式为公式(1)：τη＝τa+τb+τc式中，τη为锈蚀钢绞线的粘结应力，τa为锈胀力引起的粘结应力，τb为交界面间的胶着力，τc为交界面间的约束力；锈蚀钢绞线与混凝土交界面锈胀力引起的粘结应力可表示为公式(2)：τa＝kcpc式中，kc为锈蚀钢绞线与混凝土界面间的摩擦系数，Pc为钢绞线-混凝土界面间的锈胀力；保护层开裂前，锈胀力主要由开裂混凝土的剩余拉应力和未开裂混凝土的约束力共同抵抗，钢绞线-混凝土界面间的锈胀力可表示为公式(3)：式中，R0为锈蚀前钢丝的半径，Pu为开裂和未开裂混凝土交界面位置的锈胀力，Ru为开裂混凝土的半径，r为开裂混凝土区域的位置，σθ(r)为开裂混凝土的环向应力；保护层开裂后，锈胀力主要由开裂混凝土的剩余拉应力来抵抗，钢绞线-混凝土界面间的锈胀力可表示为公式(4)：锈蚀钢绞线与混凝土交界面间的胶着力可表达为公式(5)：式中，k为同一截面上钢绞线的横肋数目，Ar为横肋面积，D为锈蚀钢绞线直径，δ为横肋与钢绞线轴线间的夹角，θ为钢绞线与混凝土间的摩擦角，sr为横肋间距，fcoh为界面间胶着力系数；锈蚀钢绞线与混凝土交界面间周围混凝土的约束力可表达为公式(6)：式中，Cr为横肋的形状系数，px为失效时钢绞线所受的最大压力。3.根据权利要求1所述粘结退化影响下PC构件抗弯承载力计算方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括以下步骤：等效粘结强度概念的引入方法如下：当无荷载裂缝存在时，锈蚀构件沿梁长方向各...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，戴理朝，张旭辉，张健仁，马亚飞，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43