CN111563344B - 分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通运输业桥涵工程领域，具体公开了分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法。采用满堂支架施工的分层浇筑混凝土梁一般沿梁高合理分层浇筑，本发明中的方法基于弹性力学理论，推导第二层混凝土浇筑时对首层混凝土梁的应力函数，并根据首层混凝土梁同批次混凝土立方体试块的抗压强度试验值确定首层混凝土梁的受力安全值，节省了施工过程有限元分析所需的大量时间，受力安全判断迅速，流程简单易行，可为支架现浇混凝土梁的施工安全提供保障，避免因浇筑过程中的受力过大的风险，从而出现混凝土梁的断裂或混凝土裂缝而影响桥梁耐久性，保障了混凝土梁长时期服役安全性能，并节约了后期运营维护资金，具有十分显著的经济和社会效益。

Description

分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法

技术领域

本发明涉及交通运输业桥涵工程领域，具体是涉及一种分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法。

背景技术

混凝土桥梁以良好的受力性能、使用性能及施工成熟性等优点在桥梁建设中被广泛采用。混凝土梁多数并非一次浇筑成型，尤其是梁的高度较高或是细部构造复杂的混凝土梁，一般需要进行多次的分层浇筑。针对于支架现浇，尤其是采用满堂支架支撑、分层浇筑的混凝土梁来说，分层浇筑混凝土收缩差、支架沉降、混凝土水化温降、施工工艺等稍有不慎将会导致混凝土出现裂缝并加速混凝土的碳化并降低结构的耐腐蚀能力，最终使混凝土梁的强度和稳定性降低，从而会减少结构物的使用寿命，严重影响混凝土的安全与耐久性。对于支架现浇，尤其是采用支架支撑、分层浇筑混凝土梁来说，时常有前期浇筑梁体受力过大引起混凝土开裂、出现安全和耐久性问题出现，从分层浇筑过程体系受力角度研究分析首层混凝土梁的安全状态未见相关文献报道，因此急需一种方法判断支架现浇混凝土梁首层梁的安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分层浇筑混凝土梁首层梁受力安全判断方法及装置，分析、提出了首层混凝土梁的受力机理及状态，采用弹性力学平面问题分析方法，把后续浇筑混凝土作为荷载，支架、首次混凝土梁、后续浇筑混凝土实为一个传力体系，推导了体系中首层混凝土梁的受力函数，结合混凝土强度发展规律，首创了首层混凝土梁受力安全判断方法。

为实现上述目的，一发明，本发明提供了一种分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法，包括：

S1，在硬化的地基上搭设满堂支架，在满堂支架上铺设模板，对满堂支架预压后在模板上绑扎首层钢筋，梁端为简支，浇筑首层混凝土梁，当首层混凝土梁硬化到一定强度时，绑扎第二层混凝土梁的钢筋，浇筑第二层混凝土梁；

S2，获取首层混凝土梁的等截面混凝土梁长及第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载；

S3，采用带弹性支承分析模型模拟满堂支架对首层混凝土梁的作用，结合第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载构建首层混凝土梁的微分方程；

S4，求解微分方程以获取首层混凝土梁的拉应力；

S5，获取首层混凝土梁的抗压强度，根据抗压强度获取首层混凝土梁的最大抗拉强度；

S6，根据首层混凝土梁的拉应力和最大抗拉强度判断首层混凝土梁是否出现裂缝。

优选的，上述技术方案中，带弹性支承分析模型的刚性系数为：

式(1)式中：E(m)为支架材料的弹性模量；H(m)为满堂支架高度；A(m)为每平米面积满堂支架的支撑截面的面积；I_my和I_mz分别为满堂支架Y轴和Z轴的惯性矩；μ为泊松比，因为满堂支架主要抗压，忽略其剪切、弯扭，则每延米下满堂支架弹簧刚度K＝E(m)/H(m)。

优选的，上述技术方案中，根据梁的挠曲微分方程及支架顶沉降S与首层梁的挠曲变形协调条件，S＝ω，即：

P＝K₀S＝K₀ω (2)

K₀为支架体系弹性系数，表示产生单位变形所需的压力强度；P为支架顶上任一点所受的压力强度；S为P作用位置上的竖向变形，ω为首层混凝土梁的挠度；

依据弹性力学分析，梁的方程式：

式(3)～式(5)中：M为混凝土梁所受的弯矩，F_s为首层混凝土梁所受的剪力，E为首层混凝土梁的弹性模量，P(x)为首层混凝梁微段上的均布荷载；

应用式(3)，考虑弹性支承首层梁的基本微分方程为：

其中，P₀为对首层混凝土梁的均布荷载。

优选的，上述技术方案中，设

EI为截面抗弯刚度；则式(7) 的解为：

边界条件是

则：C₃＝C₄＝0

令

Δ＝cosh2α+cos2α，则：

因此，

代入式(8)得：

求解得：

式(11)中，σ为首层混凝土梁的拉应力。

优选的，上述技术方案中，步骤S5中，首层混凝土梁的抗拉强度f_t,n为抗压强度f_cu,n0.05 倍，即f_t,n＝0.05f_cu,n；

首层混凝土不出现裂缝，必须满足σ<f_t,n，即

化简后见式(13)

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明基于弹性力学理论，推导第二层混凝土浇筑时首层混凝土梁拉应力，并根据首层混凝土梁同批次混凝土立方体试块的抗压强度试验值确定首层混凝土梁的受力安全。该方法节省了施工过程有限元分析所需的大量时间，受力安全判断迅速，流程简单易行，可为支架现浇混凝土梁的施工安全提供保障，避免出现混凝土梁的断裂或混凝土裂缝而影响桥梁耐久性，保障了混凝土梁长时期服役的安全性，节约了后期运营维护资金，具有十分显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明支架等效弹性简支梁受均布荷载简化模型。

图2为本发明支架示意图。

图3为本发明有限元计算模型图。

图4为本发明解析解与有限元计算结果比对。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本实施例中的分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法具体包括：

首先从采用满堂支架分层浇筑混凝土梁施工过程分析首层混凝土梁的受力机理和状态。在硬化后的地基上搭设满堂支架，如图2所示，在满堂支架上铺设模板，进行满堂支架预压，按照设计图在模板上绑扎钢筋，浇筑首层混凝土，当混凝土硬化、达到一定强度时，绑扎第二层混凝土梁的钢筋，浇筑第二层混凝土。

分析该施工过程，首次混凝土梁下有支架支撑提供向上的支持力，用以平衡首层混凝土梁的自重及第二层混凝土梁的钢筋和混凝土重力。单独分析首层混凝土梁似乎是上下受力平衡的而单独受压的，发明人经大量工程实测发现，在绑扎第二层混凝土梁的钢筋及浇筑混凝土时，支架在钢筋及第二层混凝土梁的混凝土作用下会产生不均匀压缩，导致首层混凝土梁产生变形，跨中变形大，渐变至支座处变形为零，因此首层混凝土梁底跨中附近出现拉应力，产生过早的初期应变及后期徐变增大，当拉应力大于当时混凝土抗拉强度时首层混凝土梁开裂，这些裂缝加速了混凝土的碳化并降低了结构的耐腐蚀能力，影响到混凝土梁的安全及耐久性。

综上，要判断首层混凝土梁是否出现开裂，需获得首层混凝土梁的应力值，应力值求解过程由下文继续阐述。

基于上述分析，对二层梁的钢筋绑扎和混凝土浇筑施工视为荷载作用于首层混凝土梁及支架上，并做如下假定：

(1)对满堂支架分层浇筑的首层已成型的混凝土梁作简化分析，其中，等截面混凝土梁长为L，梁端简支，满堂支架分层浇筑混凝土，用均布荷载P₀模拟第二层混凝土梁的钢筋及混凝土对首层混凝土梁的作用，由于问题的对称性，坐标原点取梁的中点，如图1和图2所示。

(2)由于实际梁结构满堂支架的支承的存在，因此带弹性支承的分析模型更能够真实的反映实际结构，可模拟支架支撑对混凝土梁的作用。且随着不等跨变截面高度连续梁桥的出现，使各梁段间抗弯刚度和单位长度质量发生变化。从以上分析思路出发，采用转换矩阵法，中间带弹性支承。满堂支架按弹性基础处理，其刚性系数为K，弹性基础的反力的大小与首层混凝土梁的挠度ω成正比，方向与ω相反，对于满堂支架，用弹性支承来模拟对首层混凝土梁的作用，而且计算考虑其弹性约束耦合效果，此时其一般弹性支承类型如下式(1)所示，式中对角线以外的非零值即是考虑了某些自由度的相互影响、相互关联的效果，本文不考虑水平向弹性支承。

式(1)式中：E(m)为支架材料的弹性模量；H(m)为满堂支架高度；A(m)为每平米面积满堂支架的支撑截面的面积；I_my和I_mz分别为满堂支架Y轴和Z轴的惯性矩；μ为泊松比。因为满堂支架主要抗压，忽略其剪切、弯扭，则每延米下满堂支架弹簧刚度K＝E(m)/H(m)。

(3)满堂支架顶端上任一点所受的压力强度与该点的竖向变形S成正比，P＝K₀S，K₀支架体系弹性系数，表示产生单位变形所需的压力强度；P为支架顶上任一点所受的压力强度； S为P作用位置上的竖向变形。根据梁的挠曲微分方程及支架顶沉降S与首层梁的挠曲变形协调条件，S＝ω，即：

P＝K₀S＝K₀ω (2)

依据弹性力学相关知识可得，梁的方程式：

式(3)～式(5)中：M为混凝土梁所受的弯矩，F_s为首层混凝土梁所受的剪力，E为首层混凝土梁的弹性模量，ω为首层混凝土梁的挠度，P(x)为首层混凝梁微段上的均布荷载。应用式(3)，考虑弹性支承首层混凝土梁的基本微分方程为：

假设：

EI为截面抗弯刚度。则式(7)的解为：

边界条件是

则：C₃＝C₄＝0

令

Δ＝cosh2α+cos2α则：

因此，

代入式(8)得：

求解得：

第二层梁钢筋绑扎及混凝土浇筑时，首层混凝土的龄期为n天，首层混凝土同批次混凝土立方体试块与首层混凝土同条件养护n天时，其试验抗压强度平均值为f_cu,n，基于混凝土抗压强度与抗拉强度的关系，即混凝土的抗拉强度一般为抗压强度0.05～0.1倍，考虑混凝土的不均匀性及尺寸效应，在本发明中偏安全的取混凝土的抗拉强度为抗压强度0.05倍，即f_t,n＝ 0.05f_cu,n。

首层混凝土不出现裂缝，方能保障首层混凝土梁的安全与耐性，必须满足σ<f_t,n，即

化简后见式(13)

实施例

某简支梁桥为例，桥下净空最小高度为6.0米，汽车荷载等级为公路—Ⅰ级，支架最大高度6.8m，支架最大高度16m。立杆横桥向间距×立杆纵桥向间距×横杆步距为 60cm×60cm×120cm，条形基础上设置支架

螺旋钢管，如下图4所示。首段浇筑高500mm，首层梁属于简支梁受力时，首层浇筑高度宜占总高的0.3～0.7，取二段浇筑高为500mm，优先考虑施工缝设置在中性轴附近，划分施工缝后，将二层浇筑层等效为均布荷载向首层传递的支撑体系。

其中满堂支架采用有刚度的弹性支座模拟，每60cm布局一个弹性支座，30m跨共布置50 个弹性支座，弹性支座的刚度取10⁶KN/m，基础系数为80000KN/m。Midas模型按照实际工况，定义混凝土的材料为C50混凝土，第一层混凝土截面尺寸的高×宽为0.5m×1m，第二层混凝土以均布荷载的形式加载到第一层混凝土上，其均布荷载q＝0.5×1.0×25＝12.5kN/m，模型里的简支梁应该约束梁左端三个平动自由度和两个转动自由度，以负Z轴为重力方向，X 轴为轴长方向，不约束其Y轴的转动自由度，梁右端约束Y和Z向的平动自由度，以及X和 Z的转动自由度。

式(11)给出了满堂支架分层浇筑混凝土裂缝成因为应力作用下的计算公式。采用有限元的数值计算方法进行验证，如下表1、图3及图4所示，计算与有限元结果曲线吻合较好，说明上述解析解准确无误。

表1应力结果对比分析(单位：MPa)

Table 1 Comparative analysis of stress results(Unit:MPa)

另外，本实施例还公开了一种分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断装置，首先在硬化的地基上搭设满堂支架，在满堂支架上铺设模板，对满堂支架预压后在模板上绑扎首层钢筋，梁端简支，浇筑首层混凝土梁，当首层混凝土梁硬化到一定强度时，绑扎第二层混凝土梁的钢筋，浇筑第二层混凝土梁，还包括：

参数采集模块，获取首层混凝土梁的等截面混凝土梁长及第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载；

梁微分方程获取模块，用于采用带弹性支承分析模型模拟满堂支架对首层混凝土梁的作用，结合第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载构建首层混凝土梁的微分方程；

微分方程求解模块，用于求解微分方程以获取首层混凝土梁的拉应力；

最大抗拉获取模块，用于获取首层混凝土梁的抗压强度，根据抗压强度获取首层混凝土梁的最大抗拉强度；

裂缝判断模块，用于根据首层混凝土梁的拉应力和最大抗拉强度判断首层混凝土梁是否出现裂缝。

梁微分方程获取模块中带弹性支承分析模型为：

式(11)式中：E(m)为支架材料的弹性模量；H(m)为满堂支架高度；A(m)为每平米面积满堂支架的支撑截面的面积；I_my和I_mz分别为满堂支架Y轴和Z轴的惯性矩；μ为泊松比，因为满堂支架主要抗压，忽略其剪切、弯扭，则每延米下满堂支架弹簧刚度K＝E(m)/H(m)。

梁微分方程获取模块还具体包括根据梁的挠曲微分方程及支架顶沉降S与首层梁的挠曲变形协调条件，S＝ω，即：

P＝K₀S＝K₀ω (15)

K₀为支架体系弹性系数，表示产生单位变形所需的压力强度；P为支架顶上任一点所受的压力强度；S为P作用位置上的竖向变形，ω为首层混凝土梁的挠度；

依据弹性力学分析，梁的方程式：

式(16)～式(18)中：M为混凝土梁所受的弯矩，F_s为首层混凝土梁所受的剪力，E为首层混凝土梁的弹性模量，P(x)为首层混凝梁微段上的均布荷载；

应用式(18)，考虑弹性支承首层梁的基本微分方程为：

其中，P₀为对首层混凝土梁的均布荷载。

微分方程求解模块中设

EI为截面抗弯刚度；则式(20)的解为：

边界条件是

则：C₃＝C₄＝0

令

Δ＝cosh2α+cos2α，则：

因此，

代入式(18)得：

求解得：

式(24)中，σ为首层混凝土梁的拉应力。

最大抗拉获取模块中首层混凝土梁的抗拉强度f_t,n为抗压强度f_cu,n0.05倍，即f_t,n＝ 0.05f_cu,n；

裂缝判断模块中首层混凝土不出现裂缝，必须满足σ<f_t,n，即

化简后见式(26)

综上所述，本发明对采用支架浇筑混凝土梁受力过程进行分析，提出了首层混凝土梁的受力机理及状态，采用弹性力学平面问题分析方法，把后续浇筑混凝土作为荷载，支架、首次混凝土梁、后续浇筑混凝土实为一个传力体系，提出了采用支架分层浇筑混凝土梁首层梁受力安全判断方法。本发明公开的安全判断方法能够准确、快速的判断首层梁结构的安全性，便于工程应用，杜绝了混凝土开裂的安全风险，具有很好的工程推广价值。

Claims (5)

1.一种分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法，其特征在于，包括：

S1，在硬化的地基上搭设满堂支架，在满堂支架上铺设模板，对满堂支架预压后在模板上绑扎首层钢筋，梁端为简支，浇筑首层混凝土梁，当首层混凝土梁硬化到一定强度时，绑扎第二层混凝土梁的钢筋，浇筑第二层混凝土梁；

S2，获取首层混凝土梁的等截面混凝土梁长及第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载；

S3，采用带弹性支承的分析模型模拟满堂支架对首层混凝土梁的作用，结合第二层混凝土梁对首层混凝土梁的均布荷载构建首层混凝土梁的微分方程；

S4，求解微分方程以获取首层混凝土梁的拉应力；

S5，获取首层混凝土梁的抗压强度，根据抗压强度获取首层混凝土梁的最大抗拉强度；

S6，根据首层混凝土梁的拉应力和最大抗拉强度判断首层混凝土梁是否出现裂缝。

2.根据权利要求1所述的分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法，其特征在于，带弹性支承分析模型的刚性系数为：

式(1)式中：E(m)为支架材料的弹性模量；H(m)为满堂支架高度；A(m)为每平米面积满堂支架的支撑截面的面积；I_my和I_mz分别为满堂支架Y轴和Z轴的惯性矩；μ为泊松比，因为满堂支架主要抗压，忽略其剪切、弯扭，则每延米下满堂支架弹簧刚度K＝E(m)/H(m)。

3.根据权利要求2所述的分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法，其特征在于，根据梁的挠曲微分方程及支架顶沉降S与首层梁的挠曲变形协调条件，S＝ω，即：

P＝K₀S＝K₀ω (2)

K₀为支架体系弹性系数，表示产生单位变形所需的压力强度；P为支架顶上任一点所受的压力强度；S为P作用位置上的竖向变形，ω为首层混凝土梁的挠度；

依据弹性力学分析，梁的方程式：

式(3)～式(5)中：M为混凝土梁所受的弯矩，F_s为首层混凝土梁所受的剪力，E为首层混凝土梁的弹性模量，P(x)为首层混凝梁微段上的均布荷载；

应用式(3)，考虑弹性支承首层梁的基本微分方程为：

其中，P₀为对首层混凝土梁的均布荷载。

4.根据权利要求3所述的分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法，其特征在于，设

EI为截面抗弯刚度；则式(7)的解为：

边界条件是

L为等截面混凝土梁长，则：C₃＝C₄＝0

令

Δ＝cosh2α+cos2α，则：

因此，

代入式(8)得：

求解得：

式(11)中，σ为首层混凝土梁的拉应力。

5.根据权利要求4所述的分层浇筑混凝土首层梁受力安全判断方法，其特征在于，步骤S5中，首层混凝土梁的抗拉强度f_t,n为抗压强度f_cu,n0.05倍，即f_t,n＝0.05f_cu,n；

首层混凝土不出现裂缝，必须满足σ<f_t,n，即

化简后见式(13)

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