側向彎曲

側向彎曲造成結構失穩的類型有很多種，其中直梁在豎向荷載的作用下，結構發生了較大的豎向彎曲變形和側向扭轉變形，而導致結構失穩稱為梁的側扭屈曲。

高速公路防撞護欄多由波形板和冷彎型鍍鋅鋼管組成，防撞護欄立柱的鋼質材料易氧化生鏽，同時，鋼材是能源消耗性材料；而在航道防撞樁中使用的一般為鋼筋混凝土樁、預應力混凝土樁、鋼管樁和木樁等，由於海水的侵蝕以及沿海沿江惡劣環境的影響，使得混凝土易開裂且鋼筋易鏽蝕，導致此類防撞結構耐久性出現問題。纖維增強複合材料(FiberReinforcedPolymer，簡稱FRP)是由纖維增強材料與基體材料(環氧、乙烯基樹脂等)通過手糊、纏繞或拉擠等工藝而形成的複合材料。具有輕質高強，耐腐蝕性好，可運用環境廣泛等特點。將FRP材料運用於結構組成新型的複合材料-混凝土組合結構在國內外得到了越來越多的關注，代表形式有FRP筒內填充混凝土結構，這種結構能為工程領域提供輕質、高強、抗衝擊、耐腐蝕的高性能防撞結構，且該種FRP混凝土柱施工簡單。研究主要研究在側向受壓荷載作用下GFRP空心柱與GFRP-混凝土實心柱的抗彎性能。通過試驗得到了GFRP空心柱、GFRP-混凝土實心柱的荷載-位移曲線、荷載-應變曲線、極限承載力以及破壞模式。

本試驗共設計並製作了6個試件，試件各影響參數如表1所示。圖1為試件的截面示意圖。本文主要研究GFRP複合材料管纖維縱橫向比例和長徑比對GFRP-混凝土實心柱與GFRP空心柱的影響，其中：長徑比為試件的有效長度(L)與試件的外徑(D)之比。

在實際工程中，防撞護欄主要承受水平荷載，因此採用懸臂加載的方式研究構件的受彎性能。試驗採用螺旋式千斤頂在試件懸臂端進行加載，荷載通過100kN級的力傳感器測量。根據《公路交通安全設施設計細則》(JTG/TD81-2006)規定：護欄中波形梁至地面的距離為600mm，所以確定加載點至試件底部的距離為600mm。在GFRP管近支座處、端部和中部間隔45°處粘貼縱向及環嚮應變片。此外，在試件的端部和中部正下方處各設置1個有效量程為200mm的位移計。試件通過半圓支座夾頭進行固定。應變片及位移計的數據均由DH3816靜態應變測試儀採集，加載裝置和量測系統佈置如圖2所示。

（1）纖維縱橫向鋪層比例

由圖3(a)可知：對於空心構件BH4-1，其極限荷載值達到33.2kN，BH1-1的極限荷載達到27.0kN，在長徑比相同的情況下，BH4-1相對於BH1-1極限承載力提高了22.96%；在同樣的荷載作用下，BH1-1的位移比BH4-1的位移要大。由圖6(c)可知：對於實心構件BS4-1，其極限荷載值達到了43.6kN，而BS1-1的極限荷載達到了34.1kN，BS4-1相對於BS1-1其極限荷載提高了27.86%；且兩組的初始剛度較吻合。由此可知，隨着纖維縱橫向鋪層比例的提高，空心構件的極限承載力以及抗彎剛度均有所提高，同時實心構件極限承載力也增大了，但對實心構件的抗彎剛度影響不大。這是由於隨着縱向纖維鋪層比例的提高，提高了GFRP管的縱向抗拉強度，GFRP圓柱的最終破壞是以纖維斷裂為基準的，所以其極限承載力有所提高，GFRP空心圓柱的抗彎剛度也會受纖維鋪層比例的影響；而GFRP-混凝土實心構件是混凝土和GFRP管一起協同工作的，在加載初期是混凝土在起作用，所以實心構件的抗彎剛度基本變化不大。

（2）長徑比

由圖3(b)可知：對於空心構件，BH4-1的極限承載力達到了33.2kN，AH4-1的極限承載力達到了16.53kN，在縱橫向纖維鋪層比例相同的情況下，BH4-1相對於AH4-1的極限承載力提高了100.85%，且在相同的荷載作用下，AH4-1的位移比BH4-1的位移要大。由圖3(d)可知：對於實心構件，BS4-1的極限承載力達到了43.6kN，AS4-1的極限承載力達到了18.8kN，BS4-1相對於AS4-1的極限承載力提高了131.91%，在相同的荷載作用下，AS4-1的位移比BS4-1的位移要大。由此可知，隨着長徑比的減小，空心構件與實心構件的極限承載力以及抗彎剛度均有較大提高。這是由於本文中試件長徑比的變化是通過直徑的變化來控制的，直徑的變化直接影響了截面慣性矩I，所以不同長徑比的構件其截面抗彎剛度EI會不同，從而也會影響構件的極限承載力。

（3）空心構件與實心構件對比

在縱橫向纖維鋪層比例及長徑比相同的情況下，實心構件BS4-1相比於空心構件BH4-1的極限承載力提高了31.33%；實心構件BS1-1相比於空心構件BH1-1的極限承載力提高了26.30%；實心構件AS4-1相比於空心構件AH4-1的極限承載力提高了13.73%。由於混凝土的填充作用，在相同縱橫向纖維鋪層比例及長徑比的情況下，實心構件的極限承載力均大於空心構件的極限承載力。

本文對3根GFRP空心圓柱和3根GFRP-混凝土實心柱構件進行了在側向受壓荷載作用下的靜力試驗，研究纖維縱橫向比例和長徑比對構件抗彎性能的影響。通過研究得出以下結論：

(1)長徑比對GFRP空心柱及GFRP-混凝土實心柱的破壞模式具有較大影響，當長徑比為6.36時，構件的破壞大都表現為受壓破壞形式，當長徑比為5.28時，構件的破壞模式為環向纖維斷裂；

(2)在長徑比相同的情況下，GFRP縱橫向纖維鋪層比例對GFRP空心圓柱的抗彎性能具有較大影響，而對GFRP-混凝土實心構件的抗彎剛度影響不大。隨着縱橫向纖維鋪層比例的提高，GFRP空心構件與GFRP-混凝土實心構件的極限承載力均有提高；

(3)在長徑比與纖維縱橫向比例相同的情況下，GFRP空心柱與GFRP-混凝土實心柱在破壞模式上表現相近，且GFRP-混凝土實心柱較GFRP空心柱極限承載力均有一定的提高。 ^[1] 

隨着我國高速公路建設的飛速發展，山區高速公路的施工逐漸增多。但由於地形條件等原因，公路曲線半徑受到很大的限制，工型組合梁橋懸臂由於採用現澆法施工，比較好地解決了山區公路由於曲線半徑小而產生的線型美觀問題，因而在山區陡坡地形及彎路公路，特別在山嶺重丘區公路得到了廣泛應用。

預應力混凝土工型梁，從其受力特點來看，結構型式的抗彎能力較大，有足夠的混凝土截面來承受正負彎矩的作用，加上同時具有預應力的優點，可大大節約混凝土數量，減輕梁體自重，但在施工過程中，經常會出現側向彎曲(預製梁體縱軸線與設計梁體縱軸線之間的差值)值過大的問題，最大達到8cm，這嚴重地影響了梁體的使用。如果忽視了側向彎曲的控制，嚴重時可能會對橋樑的工程質量及安全帶來影響，因此，有必要予以高度重視和加以解決，以滿足設計的要求和工程的需要。

（1）易於產生側向彎曲的結構

後張PC工型梁高跨比較大，截面高度為180cm，梁肋寬度為18cm，馬蹄寬度也只有54cm，都比較薄，這種“細長”受壓桿件在較小的側向撓動下都會引起側向彎曲，因此，構件的特點已經決定了工型梁易於產生側向彎曲。

（2）張拉時的偏位

預應力鋼束張位時的微小偏位都會導致鋼束不能按設計受力也是產生側向彎曲的一個原因，這與鋼束和灌漿需要預應力孔道直徑比鋼束直徑大1～2cm有直接關係。

（3）預應力鋼束的佈置

如圖4、圖5及表1，表1中列出了每一片工型梁中總共6束預應力鋼束的佈置情況。鋼束起彎半徑最大為5515cm，最小為1340cm，起彎點距跨中的距離也各不相同。預應力鋼束的定位偏差會導致預應力鋼束的作用面背離梁體的設計縱軸線，張拉端錨板預應力孔道的定位偏差更是直接引起端部的偏心彎矩，預應力鋼束的定位質量也是張拉後引起側向彎曲的原因。

（4）後張PC工型梁的材料構成

後張PC工型梁由鋼筋和混凝土兩種物理、力學性質完全不同的材料組成。普通鋼筋、預應力鋼束一般作為勻質彈性材料處理，而混凝土其本質是非勻質、非彈性材料。由於材料構成的非勻質性，實際上，梁體理想的設計縱軸線與製作完成後的梁體縱軸線已經存在必然的偏差，側向彎曲只是預壓力對存在的偏差的必然反映。

經過分析，側向彎曲與鋼束張拉順序也有很大的關係。原設計鋼束張拉順序為①→⑥→②→④→③→⑤，先張拉①鋼束，必然給梁體施加了一個偏心矩，使梁體縱軸線與設計縱軸線發生偏差，從截面上預應力鋼束的佈置看，只有維持到②鋼束張拉完成後才能抵消一部分側向彎曲撓度值，如果不能完全抵消，側向彎曲將一直延續至所有預應力鋼束張拉完畢。④、③、⑤預應力鋼束的張拉實際表現為一個偏心受壓構件的受力行為，逐步張拉將進一步擴大截至②鋼束張拉後不能完全抵消的側向彎曲撓度。因此，儘可能減小②鋼束張拉後的側向彎曲撓度是首選之急。

為儘可能減小②鋼束張拉後的側向彎曲，將原設計鋼束張拉順序變更為：將鋼束張拉順序由①→⑥→②→④→③→⑤改為①50%→②50%→⑥100%→②50%→①50%→④100%→③100%→⑤100%，改進的張拉順序旨在逐步逼近①、②鋼束的張拉噸位，降低由於①、②鋼束一步張拉到位帶來的較大側向彎曲和儘可能降低不可抵消的側向彎曲。同時，為保證梁體6束鋼束全部張拉後更小的側向彎曲，還對施工控制中作出如下控制：

（1）添加早強劑，增加梁體的早期強度，當梁體的強度達到設計強度的100%時方可張拉。

（2）按座標表精確控制各斷面鋼絞線定位筋，準確控制鋼束的位置；錨下墊板必須保證與鋼束軸線垂直。

（1）後張法PC工型梁實際是受預加力作用的受壓構件。工型梁的製作，預應力鋼束的佈置等都會不同程度地影響預加力作用面與結構的設計軸線間的偏差。預應力鋼束張拉控制力大小、順序以及預應力損失會增大或減小偏心彎矩和側向彎曲撓度，這也是引起梁體側向彎曲的主要原因。

（2）通過逼近法逐步施加梁體中心線兩側的預應力鋼束的預加力可以調整和降低工型梁側向彎曲。此外，還需對施工中預應力鋼束的定位和早期強度，彈性模量進行綜合控制方可保證制梁質量。

（3）經過改進後，側向彎曲最大值為6mm，與改進前有大幅度的減少，證明上述改進措施是有效的。 ^[2]