已服役20年的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁單元靜力承載力試驗研究

高杰，黃穎

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

已服役20年的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁單元靜力承載力試驗研究

高杰，黃穎

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

通過對一根已服役20年的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁單元靜力承載力試驗室試驗，研究該梁單元在不同荷載工況作用下各個截面的撓度情況和混凝土應(yīng)變，獲得該梁單元的靜力承載力情況；同時利用有限元分析軟件ANSYS建立預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁單元的有限元模型，分析在不同荷載工況作用下梁截面的撓度和混凝土應(yīng)變，試驗分析結(jié)果和理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，以此進(jìn)行已服役20年結(jié)構(gòu)的耐久性能評估并對結(jié)構(gòu)整體性能進(jìn)行評定。

在役預(yù)應(yīng)力空心板梁；撓度；混凝土應(yīng)變；有限元分析

近20年來，我國建橋數(shù)量增加近五倍，橋梁總延米增長七倍多。其中，我國所建的大中跨徑橋梁中，75%以上采用的是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，可見預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是很顯著的，但是隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)大量地應(yīng)用于工程實踐及對其認(rèn)識的不斷深入，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的諸多缺陷和不足逐步顯現(xiàn)出來［1-4］。本文對從已經(jīng)服役20年的福建省福州市鰲峰洲大橋北引橋切割下來的梁單元進(jìn)行試驗室靜力極限承載力試驗，研究該梁單元在不同荷載工況作用下梁單元各個主要截面的撓度情況和混凝土應(yīng)變情況，同時利用有限元分析軟件建模分析，分析結(jié)果與試驗結(jié)果和理論分析結(jié)果三者進(jìn)行對比，以此進(jìn)行已服役20年結(jié)構(gòu)的耐久性能評估并對結(jié)構(gòu)整體性能進(jìn)行評定。

1 試驗梁介紹

福州市鰲峰閩江大橋（閩江三橋）已建成通車20年，為適應(yīng)當(dāng)前交通的需求，將對鰲峰大橋的北引橋進(jìn)行改造，其中對北向東側(cè)的引橋進(jìn)行拆除另建。擬拆除的原D匝道橋的上部結(jié)構(gòu)采用19×16 m的多跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。從該橋預(yù)應(yīng)力空心板梁中截取1片單孔空心板單元，截取的位置是原橋跨18～19號支座之間的空心板梁作為試驗對象，從切割下來的空心板單元可以看出，預(yù)應(yīng)力鋼筋的孔道灌漿質(zhì)量欠佳，灌漿不夠密實，存在較大孔隙。該板梁單元的長度為單跨16 m，運(yùn)送至福州大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗館進(jìn)行靜力加載試驗，以研究服役20年后預(yù)應(yīng)力混凝土梁的實際結(jié)構(gòu)的承載力。試驗梁構(gòu)件尺寸及單元構(gòu)件橫斷面尺寸如圖1和圖2所示。通過計算得單根梁重量為22.733 5 t。試驗梁結(jié)構(gòu)尺寸及材料力學(xué)指標(biāo)見表1。

2 實驗室靜力加載試驗

2.1 板梁單元極限承載力試驗

在福州大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗館搭設(shè)靜載試驗平臺，對該梁單元進(jìn)行極限承載力試驗，加載至梁單元破損，以評估服役20年的梁單元的結(jié)構(gòu)性能。試驗過程采用兩點(diǎn)對稱分級加載方式進(jìn)行，荷載逐級增大，對該梁單元在正常使用階段—設(shè)計荷載下—混凝土開裂—結(jié)構(gòu)破壞的全過程進(jìn)行觀測與分析。之所以選擇這樣加載方式，是為減少剪力的影響，試驗重點(diǎn)研究剪力為零的“純彎段”內(nèi)梁正截面受力狀態(tài)和變形規(guī)律。加載模型如圖3所示。

2.2 測試內(nèi)容及測點(diǎn)布置

靜載試驗撓度測量選在1／4跨、l／2跨以及3／4跨下部，為求得最大撓度及其變形的特征曲線，在支點(diǎn)處也安放百分表以消除支撐變位的影響?；炷翍?yīng)變片布設(shè)在模型梁L／4截面、L／2截面、3L／4截面以及千斤頂加載點(diǎn)位置（1L／3和2L／3），在每個截面梁頂和梁底各均勻布置6片應(yīng)變片。主要測試三個方面的內(nèi)容：梁單元關(guān)鍵截面在試驗荷載作用下的撓度；梁單元關(guān)鍵截面在試驗荷載作用下的應(yīng)變；橋梁最終的破壞形態(tài)。

3 試驗工況及實驗室現(xiàn)場情況

根據(jù)試驗研究目的，以期獲得梁單元從開始加載到破壞整個階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用每個2 t為一個加載工況，分別記錄每個工況作用下的測試截面的應(yīng)變以及梁單元撓度。梁單元初始缺陷檢查情況、實驗室加載情況及最終梁單元破壞情況如圖4所示。

4 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)該橋設(shè)計資料及相關(guān)規(guī)范［5-6］與相關(guān)理論資料［7-9］，由理論公式［10］計算得到該梁單元關(guān)鍵截面的主要控制指標(biāo)見表2?；炷翉椥阅Ａ咳?.5× 104MPa，預(yù)應(yīng)力鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取1600 MPa，每束控制張拉力取565 kN，計算得到關(guān)鍵截面控制彎矩理論值，根據(jù)其計算得到在相應(yīng)外荷載彎矩作用下，截面預(yù)壓受拉邊緣混凝土應(yīng)變的增量值，并與試驗實測值進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

經(jīng)過試驗加載，當(dāng)1／3截面和2／3截面處加載15 t（合計30 t），在1／4截面下緣出現(xiàn)裂縫，當(dāng)1／3截面和2／3截面處加載至21 t（合計42 t），沿著1／4截面和3／4截面下緣向上緣處呈45°方向裂縫深度發(fā)展，單元構(gòu)件極限破壞，此時加載彎矩與理論開裂彎矩對比見表3。

此外，在正常使用荷載工況（設(shè)計汽車荷載）下，結(jié)構(gòu)的變形校驗系數(shù)和應(yīng)變校驗系數(shù)都大于1，即實測值大于理論計算值，說明結(jié)構(gòu)在試驗前已經(jīng)存在初始缺陷，

因為切割造成預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)應(yīng)力損失比較嚴(yán)重，造成梁單元在相同荷載情況下，產(chǎn)生的內(nèi)力和變形均較理論值大。當(dāng)繼續(xù)增加荷載后，各關(guān)鍵截面的內(nèi)力與變形均繼續(xù)增大。試驗最終狀態(tài)：沿著1／4截面和3／4截面下緣分別向上緣處呈45°方向產(chǎn)生斜裂縫并深度發(fā)展直至構(gòu)件破壞，也就是說，構(gòu)件并不是如試驗前預(yù)計的梁正截面受彎破壞，而是斜截面剪壓破壞。

5 有限元仿真分析

針對試驗的單跨預(yù)應(yīng)力梁單元，根據(jù)試驗室構(gòu)件制作情況，結(jié)構(gòu)可定義為簡支梁。采用大型通用有限元軟件ANSYS建立三維空間實體計算模型，將有限元計算結(jié)果與模型試驗實測結(jié)果進(jìn)行比較，相互驗證。

5.1 有限元模型的建立

采用ANSYS軟件建立有限元分析模型，對各個構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，模型參數(shù)見表1。首先根據(jù)不同構(gòu)件的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的單元類型，模型中混凝土采用Solid45實體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link8單元模擬，梁體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋作用采用等效荷載法模擬。依照試驗梁單元設(shè)計數(shù)據(jù)所建立的三維空間有限元實體模型如圖5所示。

5.2 有限元計算結(jié)果對比

有限元計算結(jié)果與實測結(jié)果比較（表4、表5）：從梁單元各測試截面撓度計算值與實測值比較可以看出，1／2截面和3／4截面的各工況下?lián)隙鹊膶崪y值均比計算值大；而從梁單元各測試截面應(yīng)變計算值與實測值比較可以看出，1／3截面、1／2截面、2／3截面與3／4截面各工況下實測應(yīng)變值均大于有限元分析計算值，進(jìn)一步說明試驗構(gòu)件存在嚴(yán)重?fù)p傷，因為切割導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，梁單元在試驗過程中的受力情況與原設(shè)計存在較大出入。

6 結(jié)論

通過對福州市閩江三橋北引橋，從18～19跨中截取的梁單元構(gòu)件進(jìn)行實驗室靜力加載試驗，對梁單元的動力特性、變形和應(yīng)變等方面的測試和分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）在正常使用荷載工況（設(shè)計汽車荷載）下，從結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)變的實測與計算結(jié)果表明該梁單元受力性能不正常。結(jié)構(gòu)的變形校驗系數(shù)和應(yīng)變校驗系數(shù)都大于1，即實測值大于理論計算值。說明該梁單元存在初始缺陷，由于切割造成預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失較嚴(yán)重，造成當(dāng)受拉區(qū)混凝土一旦出現(xiàn)裂縫，受拉鋼筋的應(yīng)力立即達(dá)到屈服強(qiáng)度，并迅速經(jīng)歷整個流幅，進(jìn)入強(qiáng)化工作階段，裂縫迅速向上延伸，開展寬度很大，即使受壓區(qū)混凝土尚未壓碎，由于裂縫寬度過大而不能使用，標(biāo)志梁的“破壞”。

（2）試驗最終狀態(tài)：沿著1／4截面和3／4截面下緣分別向上緣處呈45o方向產(chǎn)生斜裂縫并深度發(fā)展直至構(gòu)件破壞，構(gòu)件并不是如試驗前預(yù)計的梁正截面受彎破壞，而是斜截面剪壓破壞，說明構(gòu)件因為切割導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，而且構(gòu)件內(nèi)部由于施工誤差導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力鋼筋布置呈現(xiàn)不對稱性，造成在靜力加載過程中梁體受力偏心，導(dǎo)致同一個截面處均勻布置的應(yīng)變片在同一級加載情況下應(yīng)變值差異很大，試驗測試結(jié)果的離散性較大，規(guī)律性較差。

（3）在正常情況下，同一個截面均勻布置的應(yīng)變點(diǎn)的應(yīng)變值應(yīng)該基本相同，但是該梁單元靜力加載試驗中可以發(fā)現(xiàn)，同一截面布置的6個應(yīng)變值差別較大，有的值甚至符號相反，說明該梁單元偏心嚴(yán)重，出現(xiàn)該情況的原因有可能是該梁單元內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼筋布置不對稱造成。

（4）有限元計算結(jié)果與實測結(jié)果比較：從梁單元各測試截面撓度計算值與實測值比較可以看出，1／2截面和3／4截面的各工況下?lián)隙鹊膶崪y值均比計算值大；而從梁單元各測試截面應(yīng)變計算值與實測值比較可以看出，1／3截面、1／2截面、2／3截面與3／4截面各工況下實測應(yīng)變值均大于有限元分析計算值，進(jìn)一步說明試驗構(gòu)件存在嚴(yán)重?fù)p傷，因為切割導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，梁單元在試驗過程中的受力情況與原設(shè)計存在較大出入。

綜上所述，通過對已經(jīng)服役20年的預(yù)應(yīng)力梁單元的室內(nèi)靜力加載試驗，結(jié)構(gòu)的整體性能進(jìn)行評定：

對試驗結(jié)果分析可知，由于該預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁已服役20年，預(yù)應(yīng)力損失的不斷發(fā)展，以及結(jié)構(gòu)在實際運(yùn)營過程中可能存在的超載運(yùn)營情況等不利影響下，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的損傷。此外，由于該橋梁為后張法施工，用于試驗的梁單元（一共三束預(yù)應(yīng)力束）中兩束的錨具在橋梁拆除切割過程中可能破損，加上孔道灌漿質(zhì)量欠佳，導(dǎo)致實際有效預(yù)應(yīng)力下降。對于后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)而言，為保證預(yù)應(yīng)力筋與混凝土有良好的粘結(jié)作用，除應(yīng)保證錨具的安全可靠以外，對于孔道的灌漿質(zhì)量同樣不可忽視。對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)而言，預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置情況對構(gòu)件整體受力性能影響較大，預(yù)應(yīng)力鋼筋的偏心布置會使結(jié)構(gòu)整體受力性能降低，因此施工中盡量確保鋼筋的布置符合設(shè)計圖紙布置要求。

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Research of the Static Bearing Capacity Test of a 20-year-old Prestressed Concrete Hollow-p late B

GAO Jie，HUANG Ying
（Fujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Through the static bearing capacity laboratory tests of a 20-years in-service prestressed concrete hollow-plate beam unit，the deflections and concrete strain of each section under different load condition of this beam unitare studied，which can access to the static bearing capacity status of the beam element.Meanwhile，the finite elementmodel of prestressed concrete slabs unit is established by the finite element analysis software ANSYS.Then，the deflections and concrete strain of each section under different load condition are analyzed.The structural durability assessment and evaluation of overall performance can be evaluated through the comparing and analysis of experimental analysis results and the theoretical calculation results.

in-service prestressed hollow-plate beam；deflection；concrete strain；finite element analysis

TU311.3

A

1673-1549（2014）04-0069-04

10.11863／j.suse.2014.04.17

2014-03-04

福建省交通廳交通科技項目（201336）；福建省教育廳B類科技項目（JB12359）

高杰（1966-），男，福建福州人，副教授，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)動力性能與耐久性能方面的研究，（E-mail）gj1966＠163.com