[科普中国]-侧向弯曲

侧向弯曲是指构件受到荷载或作用发生了变形，沿构件长向每点大小不同，变形后呈现曲线形状。规则的曲线中部挠曲程度最大，称这个值叫弯曲矢高，曲线几何图形称这个值为矢高，工程上变形曲线称这个值应该叫挠度。钢结构的侧向稳定靠支撑来保证，侧向弯曲矢高就是说的钢结构的侧向发生了变形，中部变形最大处的变形值。

概念侧向弯曲造成结构失稳的类型有很多种，其中直梁在竖向荷载的作用下，结构发生了较大的竖向弯曲变形和侧向扭转变形，而导致结构失稳称为梁的侧扭屈曲。

GFRP圆柱抗侧向弯曲性能试验研究高速公路防撞护栏多由波形板和冷弯型镀锌钢管组成，防撞护栏立柱的钢质材料易氧化生锈，同时，钢材是能源消耗性材料；而在航道防撞桩中使用的一般为钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢管桩和木桩等，由于海水的侵蚀以及沿海沿江恶劣环境的影响，使得混凝土易开裂且钢筋易锈蚀，导致此类防撞结构耐久性出现问题。纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer，简称FRP)是由纤维增强材料与基体材料(环氧、乙烯基树脂等)通过手糊、缠绕或拉挤等工艺而形成的复合材料。具有轻质高强，耐腐蚀性好，可运用环境广泛等特点。将FRP材料运用于结构组成新型的复合材料-混凝土组合结构在国内外得到了越来越多的关注，代表形式有FRP筒内填充混凝土结构，这种结构能为工程领域提供轻质、高强、抗冲击、耐腐蚀的高性能防撞结构，且该种FRP混凝土柱施工简单。研究主要研究在侧向受压荷载作用下GFRP空心柱与GFRP-混凝土实心柱的抗弯性能。通过试验得到了GFRP空心柱、GFRP-混凝土实心柱的荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、极限承载力以及破坏模式。

本试验共设计并制作了6个试件，试件各影响参数如表1所示。图1为试件的截面示意图。本文主要研究GFRP复合材料管纤维纵横向比例和长径比对GFRP-混凝土实心柱与GFRP空心柱的影响，其中：长径比为试件的有效长度(L)与试件的外径(D)之比。

加载和量测装置在实际工程中，防撞护栏主要承受水平荷载，因此采用悬臂加载的方式研究构件的受弯性能。试验采用螺旋式千斤顶在试件悬臂端进行加载，荷载通过100kN级的力传感器测量。根据《公路交通安全设施设计细则》(JTG/TD81-2006)规定：护栏中波形梁至地面的距离为600mm，所以确定加载点至试件底部的距离为600mm。在GFRP管近支座处、端部和中部间隔45°处粘贴纵向及环向应变片。此外，在试件的端部和中部正下方处各设置1个有效量程为200mm的位移计。试件通过半圆支座夹头进行固定。应变片及位移计的数据均由DH3816静态应变测试仪采集，加载装置和量测系统布置如图2所示。

影响因素分析（1）纤维纵横向铺层比例

由图3(a)可知：对于空心构件BH4-1，其极限荷载值达到33.2kN，BH1-1的极限荷载达到27.0kN，在长径比相同的情况下，BH4-1相对于BH1-1极限承载力提高了22.96%；在同样的荷载作用下，BH1-1的位移比BH4-1的位移要大。由图6(c)可知：对于实心构件BS4-1，其极限荷载值达到了43.6kN，而BS1-1的极限荷载达到了34.1kN，BS4-1相对于BS1-1其极限荷载提高了27.86%；且两组的初始刚度较吻合。由此可知，随着纤维纵横向铺层比例的提高，空心构件的极限承载力以及抗弯刚度均有所提高，同时实心构件极限承载力也增大了，但对实心构件的抗弯刚度影响不大。这是由于随着纵向纤维铺层比例的提高，提高了GFRP管的纵向抗拉强度，GFRP圆柱的最终破坏是以纤维断裂为基准的，所以其极限承载力有所提高，GFRP空心圆柱的抗弯刚度也会受纤维铺层比例的影响；而GFRP-混凝土实心构件是混凝土和GFRP管一起协同工作的，在加载初期是混凝土在起作用，所以实心构件的抗弯刚度基本变化不大。

（2）长径比

由图3(b)可知：对于空心构件，BH4-1的极限承载力达到了33.2kN，AH4-1的极限承载力达到了16.53kN，在纵横向纤维铺层比例相同的情况下，BH4-1相对于AH4-1的极限承载力提高了100.85%，且在相同的荷载作用下，AH4-1的位移比BH4-1的位移要大。由图3(d)可知：对于实心构件，BS4-1的极限承载力达到了43.6kN，AS4-1的极限承载力达到了18.8kN，BS4-1相对于AS4-1的极限承载力提高了131.91%，在相同的荷载作用下，AS4-1的位移比BS4-1的位移要大。由此可知，随着长径比的减小，空心构件与实心构件的极限承载力以及抗弯刚度均有较大提高。这是由于本文中试件长径比的变化是通过直径的变化来控制的，直径的变化直接影响了截面惯性矩I，所以不同长径比的构件其截面抗弯刚度EI会不同，从而也会影响构件的极限承载力。

（3）空心构件与实心构件对比

在纵横向纤维铺层比例及长径比相同的情况下，实心构件BS4-1相比于空心构件BH4-1的极限承载力提高了31.33%；实心构件BS1-1相比于空心构件BH1-1的极限承载力提高了26.30%；实心构件AS4-1相比于空心构件AH4-1的极限承载力提高了13.73%。由于混凝土的填充作用，在相同纵横向纤维铺层比例及长径比的情况下，实心构件的极限承载力均大于空心构件的极限承载力。

研究结论本文对3根GFRP空心圆柱和3根GFRP-混凝土实心柱构件进行了在侧向受压荷载作用下的静力试验，研究纤维纵横向比例和长径比对构件抗弯性能的影响。通过研究得出以下结论：

(1)长径比对GFRP空心柱及GFRP-混凝土实心柱的破坏模式具有较大影响，当长径比为6.36时，构件的破坏大都表现为受压破坏形式，当长径比为5.28时，构件的破坏模式为环向纤维断裂；

(2)在长径比相同的情况下，GFRP纵横向纤维铺层比例对GFRP空心圆柱的抗弯性能具有较大影响，而对GFRP-混凝土实心构件的抗弯刚度影响不大。随着纵横向纤维铺层比例的提高，GFRP空心构件与GFRP-混凝土实心构件的极限承载力均有提高；

(3)在长径比与纤维纵横向比例相同的情况下，GFRP空心柱与GFRP-混凝土实心柱在破坏模式上表现相近，且GFRP-混凝土实心柱较GFRP空心柱极限承载力均有一定的提高。1

后张法预应力工型梁侧向弯曲的控制随着我国高速公路建设的飞速发展，山区高速公路的施工逐渐增多。但由于地形条件等原因，公路曲线半径受到很大的限制，工型组合梁桥悬臂由于采用现浇法施工，比较好地解决了山区公路由于曲线半径小而产生的线型美观问题，因而在山区陡坡地形及弯路公路，特别在山岭重丘区公路得到了广泛应用。

问题的提出预应力混凝土工型梁，从其受力特点来看，结构型式的抗弯能力较大，有足够的混凝土截面来承受正负弯矩的作用，加上同时具有预应力的优点，可大大节约混凝土数量，减轻梁体自重，但在施工过程中，经常会出现侧向弯曲(预制梁体纵轴线与设计梁体纵轴线之间的差值)值过大的问题，最大达到8cm，这严重地影响了梁体的使用。如果忽视了侧向弯曲的控制，严重时可能会对桥梁的工程质量及安全带来影响，因此，有必要予以高度重视和加以解决，以满足设计的要求和工程的需要。

侧向弯曲产生的原因（1）易于产生侧向弯曲的结构

后张PC工型梁高跨比较大，截面高度为180cm，梁肋宽度为18cm，马蹄宽度也只有54cm，都比较薄，这种“细长”受压杆件在较小的侧向挠动下都会引起侧向弯曲，因此，构件的特点已经决定了工型梁易于产生侧向弯曲。

（2）张拉时的偏位

预应力钢束张位时的微小偏位都会导致钢束不能按设计受力也是产生侧向弯曲的一个原因，这与钢束和灌浆需要预应力孔道直径比钢束直径大1～2cm有直接关系。

（3）预应力钢束的布置

如图4、图5及表1，表1中列出了每一片工型梁中总共6束预应力钢束的布置情况。钢束起弯半径最大为5515cm，最小为1340cm，起弯点距跨中的距离也各不相同。预应力钢束的定位偏差会导致预应力钢束的作用面背离梁体的设计纵轴线，张拉端锚板预应力孔道的定位偏差更是直接引起端部的偏心弯矩，预应力钢束的定位质量也是张拉后引起侧向弯曲的原因。

（4）后张PC工型梁的材料构成

后张PC工型梁由钢筋和混凝土两种物理、力学性质完全不同的材料组成。普通钢筋、预应力钢束一般作为匀质弹性材料处理，而混凝土其本质是非匀质、非弹性材料。由于材料构成的非匀质性，实际上，梁体理想的设计纵轴线与制作完成后的梁体纵轴线已经存在必然的偏差，侧向弯曲只是预压力对存在的偏差的必然反映。

施工过程经过分析，侧向弯曲与钢束张拉顺序也有很大的关系。原设计钢束张拉顺序为①→⑥→②→④→③→⑤，先张拉①钢束，必然给梁体施加了一个偏心矩，使梁体纵轴线与设计纵轴线发生偏差，从截面上预应力钢束的布置看，只有维持到②钢束张拉完成后才能抵消一部分侧向弯曲挠度值，如果不能完全抵消，侧向弯曲将一直延续至所有预应力钢束张拉完毕。④、③、⑤预应力钢束的张拉实际表现为一个偏心受压构件的受力行为，逐步张拉将进一步扩大截至②钢束张拉后不能完全抵消的侧向弯曲挠度。因此，尽可能减小②钢束张拉后的侧向弯曲挠度是首选之急。

改进措施为尽可能减小②钢束张拉后的侧向弯曲，将原设计钢束张拉顺序变更为：将钢束张拉顺序由①→⑥→②→④→③→⑤改为①50%→②50%→⑥100%→②50%→①50%→④100%→③100%→⑤100%，改进的张拉顺序旨在逐步逼近①、②钢束的张拉吨位，降低由于①、②钢束一步张拉到位带来的较大侧向弯曲和尽可能降低不可抵消的侧向弯曲。同时，为保证梁体6束钢束全部张拉后更小的侧向弯曲，还对施工控制中作出如下控制：

（1）添加早强剂，增加梁体的早期强度，当梁体的强度达到设计强度的100%时方可张拉。

（2）按座标表精确控制各断面钢绞线定位筋，准确控制钢束的位置；锚下垫板必须保证与钢束轴线垂直。

研究结论（1）后张法PC工型梁实际是受预加力作用的受压构件。工型梁的制作，预应力钢束的布置等都会不同程度地影响预加力作用面与结构的设计轴线间的偏差。预应力钢束张拉控制力大小、顺序以及预应力损失会增大或减小偏心弯矩和侧向弯曲挠度，这也是引起梁体侧向弯曲的主要原因。

（2）通过逼近法逐步施加梁体中心线两侧的预应力钢束的预加力可以调整和降低工型梁侧向弯曲。此外，还需对施工中预应力钢束的定位和早期强度，弹性模量进行综合控制方可保证制梁质量。

（3）经过改进后，侧向弯曲最大值为6mm，与改进前有大幅度的减少，证明上述改进措施是有效的。2

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学