基于模型試驗的橫隔梁預(yù)應(yīng)力效應(yīng)研究①

卜浩然，高慶飛

(1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津300051;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150090)

0 引 言

橋跨結(jié)構(gòu)中的橫隔梁通常會被設(shè)計成普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).在橋梁使用過程中，普通鋼筋混凝土橫隔梁會產(chǎn)生一系列病害.出現(xiàn)最多的病害就是橫隔梁下緣出現(xiàn)裂縫，使橫隔梁在開裂的狀態(tài)下工作.下緣開裂的橫隔梁會使各個主梁之間的聯(lián)系變?nèi)?如果裂縫過大，普通鋼筋裸露出來與空氣接觸，還會發(fā)生銹蝕現(xiàn)象.近年來，在設(shè)計橋梁時，往往會在其橫隔梁內(nèi)會設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，防止橫隔梁開裂.

本文以哈爾濱市三環(huán)路西線跨松花江南灘涂引橋為工程背景，加工了大型縮尺模型，研究橫隔梁內(nèi)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力對裝配式梁橋橫向剛度以及抗裂性的影響.

1 工程概況

本橋為跨徑40m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁橋.橋面為雙向八車道布置，橋面寬度為18m，采用1.5%的行車道橫坡.

該橋由6 片預(yù)制小箱梁橫向聯(lián)接而成，各個主梁之間采用濕接縫進行聯(lián)接.共布置5 道橫隔梁，端橫梁厚度50cm，中橫隔梁厚度30cm.該橋標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸如圖1，該橋橫隔梁位置布置如圖2.

該橋采用C50 混凝土.在1/4 跨處橫隔梁內(nèi)布置1 束4Φ15.2 的鋼絞線，在跨中橫隔梁內(nèi)布置2束3Φ15.2 的鋼絞線.

2 基本理論

作為跨越障礙的大型建筑物，橋梁一般具有很大的體積和質(zhì)量，在進行橋梁受力特性等問題研究的時候，一般會采用按比例縮小原結(jié)構(gòu)的方法進行模型試驗，即縮尺模型.

圖1 斷面布置圖(單位:m)

圖2 橫隔梁布置圖(單位:m)

縮尺模型是根據(jù)試驗的經(jīng)濟條件、技術(shù)條件以及試驗理論等方面的限制，按照一定的比例關(guān)系，縮小原橋梁結(jié)構(gòu)制成.縮尺模型應(yīng)具有與原橋一致的物理特性、結(jié)構(gòu)特性等主要特征.當(dāng)運用縮尺模型進行試驗時，縮尺模型試驗所得到的結(jié)果應(yīng)與原橋梁結(jié)構(gòu)結(jié)果成一定的比例關(guān)系.由于技術(shù)水平和理論誤差等原因，一般縮尺模型的所有物理特性很難與原橋梁結(jié)構(gòu)保持完全相似，此時我們應(yīng)簡化一些次要的物理特性參數(shù)，嚴格保證主要物理參數(shù)與原橋梁結(jié)構(gòu)一致，這樣才能使縮尺模型試驗準(zhǔn)確的反應(yīng)原橋梁結(jié)構(gòu)的特征，保證試驗的正確性.這些主要物理參數(shù)包括結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)的邊界條件、荷載的大小和施加方式等.

圖3 縮尺模型尺寸圖(單位:mm)

本次模型試驗主要研究的是模型靜力結(jié)構(gòu)反應(yīng).通過模型的變形以及應(yīng)力的分布來研究原橋梁的力學(xué)性能.本次試驗的主要相似物理參數(shù)有:

(1)幾何相似:要求縮尺模型在幾何尺寸上與原橋梁結(jié)構(gòu)成一定的比例關(guān)系.

(2)荷載相似:要求縮尺模型受到的荷載與原橋梁結(jié)構(gòu)所受到的荷載大小成比例關(guān)系，且模型加載位置與原橋梁結(jié)構(gòu)相同.

(3)邊界條件相似:要求縮尺模型的邊界約束條件與原橋梁結(jié)構(gòu)相同.

(4)材料相似:要求制作縮尺模型所用的材料與原橋梁結(jié)構(gòu)相同.

3 模型加工

模型以哈爾濱市三環(huán)路西線跨松花江南灘涂引橋為原型，嚴格按照縮尺模型制作原則，保證縮尺模型與原結(jié)構(gòu)的相似性.

考慮試驗?zāi)康?、試驗?nèi)容以及成本投入等條件，同時為保證縮尺模型在試驗中產(chǎn)生足夠明顯的變形、變位，方便儀器采集數(shù)據(jù)，采用1:5 的比例制作縮尺模型.模型制作材料采用C50 混凝土.整個模型兩端簡支于支架上.模型整體及各個部分尺寸如圖3.

模型橫隔梁內(nèi)配置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束.根據(jù)相似原則，在縮尺模型1/4 處橫隔梁內(nèi)布置面積為4×139/25=22.4mm2的預(yù)應(yīng)力鋼束，在跨中橫隔梁內(nèi)布置面積為2×3×139/25=33.4mm2的預(yù)應(yīng)力鋼束.由于沒有該類型的鋼絞線出售，所以仍采用Φ15.2 的鋼絞線，通過控制張拉應(yīng)力來等效預(yù)應(yīng)力效應(yīng).則1/4 處的控制張拉應(yīng)力變?yōu)?395×4/25=223.2MPa，跨中的控制張拉應(yīng)力變?yōu)?395×2×3/25 =334.8MPa.

縮尺模型沿著橋梁橫向在橫隔梁底部布置應(yīng)變片.應(yīng)變片布置在橫隔梁上、下緣中心位置.共布置20 片應(yīng)變片.橫向應(yīng)變片位置布置如圖4.

圖4 橫向應(yīng)變片布置(單位:mm)

圖5 跨中橫隔梁應(yīng)力影響線縱向變化規(guī)律

4 試驗過程

該橋跨中橫隔梁受力比1/4 跨處橫隔梁受力更加不利，所以在試驗過程中，荷載都是按照跨中橫梁最不利位置進行加載.原橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載為公路－Ⅰ級荷載，由于在模型上施加均布荷載比較繁瑣，所以將汽車荷載等效成一個集中荷載，再根據(jù)縮尺模型與原結(jié)構(gòu)相似的原則，汽車荷載要按照模型所設(shè)定的比例進行縮小之后在加載到模型上.

沿橋梁縱向，車道荷載對跨中橫隔梁作用效應(yīng)變化規(guī)律如圖5.計算車道荷載等效的集中力Fp=［5×10.5×(0.41×2+1.38×2+2.54×2+16.64)+320×16.64］/16.64=400kN.根據(jù)相似理論，施加在縮尺模型上的等效集中力F=16kN.

本次試驗共分為4 個荷載工況:

工況1:在橫隔梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束不張拉的情況下，對模型施加汽車荷載，測量橫隔梁重要位置的應(yīng)變值，觀察模型表面開裂情況.

工況2:將荷載卸去，張拉橫隔梁內(nèi)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，并在張拉結(jié)束后重新將等效后的汽車荷載加到模型上.在整個試驗過程中，測量橫隔梁重要位置的應(yīng)變值，觀察模型表面開裂情況，測量裂縫寬度.

工況3:首先增大汽車荷載至原來的1.5，而后再次加大汽車荷載至原來的2.5 倍.在整個試驗過程中，測量橫隔梁重要位置的應(yīng)變值，觀察模型表面開裂情況，測量裂縫寬度.

工況4:在工況3 的基礎(chǔ)上，將橫隔梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉應(yīng)力增大至原來的1.5 倍.觀察模型表面開裂情況，測量裂縫寬度.

5 試驗結(jié)果及分析

在各個工況下，得到試驗結(jié)果及分析如下:

(1)工況1:

在該工況下，可以得到跨中橫隔梁各個測試點測量到的應(yīng)變值如圖6.由圖可知跨中橫梁下緣測量到的最大應(yīng)變值為48με，該值小于C50 混凝土的極限拉應(yīng)變值.

圖6 橫隔梁下緣應(yīng)變值(單位:μm)

觀察模型表面，可在3#橫隔梁下緣發(fā)現(xiàn)一條裂縫，裂縫寬0.07mm，裂縫位置位于距斜腹板4.12cm 的位置.局部裂縫放大圖如圖7.說明在設(shè)計汽車荷載作用下，不布置橫向預(yù)應(yīng)力的橫隔梁會發(fā)生開裂現(xiàn)象.

圖7 初始裂縫局部放大圖

圖8 跨中橫隔梁下緣應(yīng)變值(單位:μm)

圖9 裂縫位置示意圖

圖10 新裂縫局部放大圖

(2)工況2:

在該工況下，荷載卸去以后觀察模型表面.工況1 中跨中橫隔梁下緣出現(xiàn)的裂縫在橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后閉合.得到跨中橫隔梁各個應(yīng)變測試點測量到的應(yīng)變值如圖8.由此可知張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后，橫隔梁下緣出現(xiàn)壓應(yīng)變.重新對模型進行加載，當(dāng)荷載加大至設(shè)計汽車荷載時，并沒有裂縫出現(xiàn).說明橫隔梁橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)置有助于提高橫隔梁的抗裂能力.

(3)工況3:

在該工況下，當(dāng)汽車荷載增大至設(shè)計荷載的1.5 倍時，觀察模型表面，沒有發(fā)現(xiàn)裂縫出現(xiàn)，工況2 中閉合的裂縫沒有重新出現(xiàn).繼續(xù)增大汽車荷載至設(shè)計荷載的2.5 倍，此時工況2 閉合的裂縫重新開裂，并且出現(xiàn)新的裂縫.新出現(xiàn)的裂縫位于3#、4#主梁斜腹板與橫隔梁相交的位置，裂縫出現(xiàn)在橫隔梁下緣.出現(xiàn)的最大裂縫寬度為0.12mm.裂縫位置如圖9，局部最大裂縫放大圖如圖10.說明橫隔梁橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)置可以在一定程度上抵抗超載車輛的破壞.

(4)工況4:

在該工況下，模型上所施加的汽車荷載是設(shè)計荷載的2.5 倍，此時增大橫隔梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉控制應(yīng)力，將應(yīng)力增大至原來的1.5 倍.觀察模型表面開裂情況，發(fā)現(xiàn)橫隔梁下緣在工況3 下出現(xiàn)的微小裂縫發(fā)生閉合，但是出現(xiàn)的較大裂縫沒有發(fā)生明顯變化.說明橫隔梁內(nèi)布置的橫向預(yù)應(yīng)力鋼束較為合理，即使增大張拉應(yīng)力也不會繼續(xù)提高橫隔梁的抗裂能力.

6 結(jié) 論

通過本文的研究，可得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)橫隔梁內(nèi)沒有布置預(yù)應(yīng)力鋼束時，在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載下，橫隔梁下緣會發(fā)生開裂現(xiàn)象，使橫隔梁帶裂縫工作，從而影響其使用性.橫隔梁下緣與斜腹板相交的位置是橫隔梁下緣受力最不利位置.

(2)當(dāng)橫隔梁開裂后，張拉橫隔梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束，可以發(fā)現(xiàn)橫隔梁下緣橫向裂縫閉合，說明橫向預(yù)應(yīng)力鋼束可以提高橫隔梁抗裂能力.

(3)增大汽車荷載至設(shè)計汽車荷載的1.5 倍時，橫隔梁沒有出現(xiàn)新的裂縫，原來產(chǎn)生的裂縫也沒有出現(xiàn)，說明預(yù)應(yīng)力鋼束可以幫助橫隔梁抵抗超載車輛的破壞.

(4)增大汽車荷載至原來的2.5 倍時，增大預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉應(yīng)力至原來的1.5 倍，發(fā)現(xiàn)橫隔梁下緣的微小裂縫消失，大裂縫沒有明顯變化，說明橫隔梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束布置合理.

總之，布置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的橫隔梁在抗裂性方面有著優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，而且預(yù)應(yīng)力橫隔梁可以抵抗超載車輛的破壞，原橋梁橫隔梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束布置合理.

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