公路預(yù)制梁靜載試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)研究

胡 強(qiáng),張 勇,巴 力

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

近年來(lái)，我國(guó)的橋梁事業(yè)發(fā)展迅速，橋梁建設(shè)的質(zhì)量受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。建設(shè)單位、質(zhì)監(jiān)部門出臺(tái)了許多相關(guān)的規(guī)定來(lái)控制建設(shè)中橋梁的質(zhì)量，橋梁靜載試驗(yàn)作為檢驗(yàn)橋梁是否滿足運(yùn)營(yíng)要求的最直接方式也越來(lái)越受到重視，2016年出臺(tái)了相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)程。公路及市政領(lǐng)域的橋梁均按照文獻(xiàn)[1-2]進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)定。對(duì)于公路及市政橋梁使用較多的預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁，文獻(xiàn)[3]對(duì)其試驗(yàn)荷載的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[4-5]則對(duì)試驗(yàn)的具體實(shí)施過程及評(píng)定方法進(jìn)行了研究。但是，在工程實(shí)踐中，預(yù)制梁無(wú)附屬設(shè)施的干擾，試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)往往接近1.0，由于試驗(yàn)規(guī)范與設(shè)計(jì)規(guī)范[6]的不統(tǒng)一常導(dǎo)致誤判，因此，制定專門的公路預(yù)制梁靜載彎曲試驗(yàn)方法是非常有必要的。本文從現(xiàn)行公路橋梁靜載試驗(yàn)方法出發(fā)，分析其存在的不足，結(jié)合廣東省高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化課題，編制了《廣東省高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[7]。

1 現(xiàn)行公路橋梁靜載彎曲試驗(yàn)方法評(píng)述

橋梁靜載試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括加載彎矩、測(cè)點(diǎn)布置、評(píng)定方法。下文對(duì)文獻(xiàn)[1]中靜載試驗(yàn)的加載彎矩、評(píng)定方法進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述。

1.1 加載彎矩

文獻(xiàn)[1]規(guī)定：靜載試驗(yàn)的荷載效率ηq，對(duì)交(竣)工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)宜介于0.85～1.05之間，否則ηq宜介于0.95～1.05之間。ηq計(jì)算式為

(1)

式中:Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值；S為 控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

文獻(xiàn)[7]對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的正截面抗裂驗(yàn)算規(guī)定：對(duì)于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用(或荷載)短期效應(yīng)組合下，應(yīng)滿足

σst-σpc≤0.7ftk

(2)

式中:σst為作用(或荷載)短期效應(yīng)組合下構(gòu)件抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力;σpc為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力在構(gòu)件抗裂驗(yàn)算邊緣產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力;ftk為混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

顯然荷載試驗(yàn)規(guī)范與設(shè)計(jì)規(guī)范存在矛盾：式(1)中加載控制值S(1+μ)是考慮沖擊的設(shè)計(jì)荷載，相當(dāng)于設(shè)計(jì)規(guī)范中的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值，而式(2)中σst為短期效應(yīng)組合的應(yīng)力值，其汽車荷載應(yīng)不計(jì)沖擊的影響且應(yīng)乘以頻遇值系數(shù)0.7，這樣其汽車荷載值僅相當(dāng)于式(1)中的0.5～0.6，當(dāng)然式(2)中還考慮了溫度、沉降等其他因素的影響，因此式(1)和式(2)存在較大差異。按現(xiàn)行的公路橋梁試驗(yàn)規(guī)范無(wú)法驗(yàn)證預(yù)制梁的抗裂性是否能滿足設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)荷載的使用要求。對(duì)于設(shè)計(jì)富裕度較小且后期溫度、沉降產(chǎn)生的下緣應(yīng)力較小的預(yù)制梁按現(xiàn)行荷載試驗(yàn)規(guī)范將導(dǎo)致預(yù)制梁在試驗(yàn)荷載下會(huì)產(chǎn)生開裂。

1.2 評(píng)定方法

現(xiàn)行公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)受力的評(píng)定方法主要包括相對(duì)殘余及校驗(yàn)系數(shù)。

相對(duì)殘余位移或相對(duì)殘余應(yīng)變計(jì)算式為

(3)

式中:Sp為試驗(yàn)荷載作用下測(cè)量的結(jié)構(gòu)殘余位移(應(yīng)變)值;St為加載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的相應(yīng)測(cè)量值。

結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η計(jì)算式為

(4)

式中：Se為試驗(yàn)荷載作用下測(cè)量的結(jié)構(gòu)彈性位移(應(yīng)變)值;Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值。

文獻(xiàn)[1]規(guī)定：對(duì)于相對(duì)殘余ΔSp，第1次試驗(yàn)應(yīng)小于αl，第2次試驗(yàn)應(yīng)小于0.5αl，第3次試驗(yàn)應(yīng)小于α1/6；對(duì)于校驗(yàn)系數(shù)η，應(yīng)滿足β<η≤α。β,α,α1值見表1。

表1 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件殘余及校驗(yàn)系數(shù)評(píng)價(jià)

該評(píng)價(jià)方法中的第1個(gè)指標(biāo)是相對(duì)殘余應(yīng)變或位移，其限值為20%，即使對(duì)于加載過程中出現(xiàn)開裂的預(yù)制梁也較容易滿足，因此，該指標(biāo)意義不大。第2個(gè)指標(biāo)是校驗(yàn)系數(shù)，與計(jì)算值有很大關(guān)系，當(dāng)預(yù)制梁實(shí)際彈性模量與規(guī)范值相差較大時(shí)，計(jì)算值會(huì)產(chǎn)生較大偏差，因此該指標(biāo)也不能完全反映預(yù)制梁的實(shí)際情況。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁，僅僅采用校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)存在一定的局限性，另一個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)為抗裂性，預(yù)應(yīng)力梁若抗裂性滿足要求，其受力亦基本能滿足。

2 預(yù)制梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

如前所述，對(duì)于預(yù)制梁，文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)存在一定的局限性。參考文獻(xiàn)[8]，在考慮公路橋梁特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，引用鐵路預(yù)制梁試驗(yàn)方法中較為合理的部分，編制了《廣東省高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，旨在控制公路預(yù)制梁的施工質(zhì)量。以下對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行闡述。

2.1 靜載彎曲試驗(yàn)分類

將靜載彎曲試驗(yàn)分為特殊靜載彎曲試驗(yàn)及一般靜載彎曲試驗(yàn)。特殊靜載彎曲試驗(yàn)須對(duì)預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力度或抗裂性是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)價(jià);一般靜載彎曲試驗(yàn)則是對(duì)設(shè)計(jì)使用荷載下預(yù)制梁的靜載彎曲抗裂性能進(jìn)行檢驗(yàn)。特殊靜載彎曲試驗(yàn)主要用于控制整個(gè)梁廠的施工工藝，一般僅對(duì)首梁進(jìn)行，另外在采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝進(jìn)行試生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)條件有較大變動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)承載能力的缺陷時(shí)，交庫(kù)技術(shù)資料不全或?qū)Y料發(fā)生懷疑時(shí)，亦應(yīng)當(dāng)進(jìn)行特殊靜載彎曲試驗(yàn)。

2.2 加載彎矩

對(duì)于特殊靜載彎曲試驗(yàn)，主要對(duì)梁體的抗裂性進(jìn)行檢驗(yàn)。此時(shí)應(yīng)使跨中截面下緣荷載總拉應(yīng)力達(dá)到σpc+ftk(σpc為扣除試驗(yàn)時(shí)已發(fā)生的預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力在構(gòu)件抗裂驗(yàn)算邊緣產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力)，即加載至預(yù)制梁的開裂彎矩，若預(yù)制梁抗裂性不滿足要求，則還應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力度的檢驗(yàn)，此時(shí)應(yīng)使跨中截面下緣荷載總拉應(yīng)力達(dá)到σpc，即加載至預(yù)制梁的消壓彎矩。對(duì)于一般靜載彎曲試驗(yàn)，主要對(duì)短期使用荷載下的抗裂性進(jìn)行檢驗(yàn)，此時(shí)應(yīng)使跨中截面下緣荷載總拉應(yīng)力達(dá)到σst，即加載至短期效應(yīng)組合值。

對(duì)于特殊靜載彎曲試驗(yàn)有

式中：MK0為特殊靜載彎曲試驗(yàn)跨中開裂加載總彎矩;MK1為特殊靜載彎曲試驗(yàn)跨中消壓加載總彎矩;W0為預(yù)制梁跨中截面下緣換算截面抵抗矩。

對(duì)于一般靜載彎曲試驗(yàn)有

(7)

式中：Msj為跨中加載總彎矩;M1為計(jì)算截面變化前的恒載等效彎矩，對(duì)于空心板梁計(jì)算截面變化前的恒載包括預(yù)制梁自重、鉸縫自重、混凝土整體化層自重,對(duì)于小箱梁及T梁計(jì)算截面變化前的恒載為預(yù)制梁自重、濕接縫自重;M2為計(jì)算截面變化后的恒載等效彎矩，對(duì)于空心板梁計(jì)算截面變化后的恒載包括瀝青鋪裝層自重、防撞墻自重,對(duì)于小箱梁及T梁計(jì)算截面變化后的恒載包括混凝土調(diào)平層自重、瀝青鋪裝層自重、防撞墻自重;M3為計(jì)算未完成的預(yù)應(yīng)力損失的補(bǔ)償彎矩;M4為計(jì)算汽車活載的等效彎矩;M5為計(jì)算溫度梯度的等效彎矩;M6為計(jì)算不均勻沉降的等效彎矩;M2～M6應(yīng)基于應(yīng)力等效的原則進(jìn)行計(jì)算。

2.3 加載分級(jí)

以短期效應(yīng)組合作為基數(shù)級(jí)，加載彎矩與其比值作為加載等級(jí)。對(duì)于特殊靜載彎曲試驗(yàn)，K0=MK0/Msj，K1=MK1/Msj;對(duì)于一般靜載彎曲試驗(yàn)，K0=1.00。

對(duì)于某一加載等級(jí)，其加載彎矩計(jì)算式為

MK=KMsj-M11-Msb

(8)

式中：MK為各加載等級(jí)下跨中彎矩;M11為預(yù)制梁自重產(chǎn)生的跨中彎矩;Msb為加載設(shè)備產(chǎn)生的跨中彎矩。

特殊靜載彎曲試驗(yàn)的加載等級(jí)按如下要求進(jìn)行:

第1加載循環(huán):初始狀態(tài)→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基數(shù)級(jí)(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(20 min)→初始狀態(tài)

第2加載循環(huán):初始狀態(tài)→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基數(shù)級(jí)(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(3 min)→1.05(3 min)→ …→靜活載級(jí)(3 min)→…→活載級(jí)(3 min)→…→K0級(jí)(20 min)→初始狀態(tài)

若在第2加載循環(huán)加載至K0級(jí)時(shí)梁體出現(xiàn)裂縫，應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力度的驗(yàn)證加載。驗(yàn)證加載按如下要求進(jìn)行：

驗(yàn)證加載循環(huán):初始狀態(tài)→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基數(shù)級(jí)(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(3 min)→1.05(3 min)→…→靜活載級(jí)(3 min)→…→活載級(jí)(3 min)→…→K1級(jí)(20 min)→初始狀態(tài)

一般靜載彎曲試驗(yàn)的加載等級(jí)按如下要求進(jìn)行：

初始狀態(tài)→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基數(shù)級(jí)(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→靜活載級(jí)(3 min)→活載級(jí)(3 min)→1.00(20 min)→初始狀態(tài)

特殊靜載彎曲試驗(yàn)中，各加載循環(huán)中基數(shù)級(jí)、靜活載級(jí)、活載級(jí)、K1級(jí)應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整加載的次序。在預(yù)應(yīng)力度的驗(yàn)證加載中，若活載級(jí)大于K1級(jí)則取消活載級(jí);若靜活載級(jí)大于K1級(jí)則取消靜活載級(jí)。一般靜載彎曲試驗(yàn)中，若活載級(jí)大于1.00級(jí)則取消活載級(jí);若靜活載級(jí)、活載級(jí)大于1.00級(jí)則取消靜活載級(jí)、活載級(jí)。

2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括相對(duì)殘余、應(yīng)力及撓度校驗(yàn)系數(shù)、抗裂性或預(yù)應(yīng)力度。

1)相對(duì)殘余評(píng)價(jià)方法與文獻(xiàn)[1]相同。

2)應(yīng)力及撓度校驗(yàn)系數(shù)評(píng)價(jià)。對(duì)于預(yù)制梁的靜載試驗(yàn)，由于沒有橋面鋪裝等附屬設(shè)施參與作用，在彈性模量有保障的情況下應(yīng)力及撓度校驗(yàn)系數(shù)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值接近，考慮到混凝土材料的變異性，采用1.05的限值較為合理。

3)對(duì)于特殊靜載彎曲試驗(yàn)，應(yīng)對(duì)預(yù)制梁的抗裂性進(jìn)行評(píng)定，當(dāng)預(yù)制梁抗裂性不合格時(shí)應(yīng)對(duì)預(yù)制梁的預(yù)應(yīng)力度進(jìn)行評(píng)定。

①抗裂性評(píng)價(jià)。在K=K0加載等級(jí)下持荷20 min，梁體下緣底面未發(fā)現(xiàn)受力裂縫或下緣側(cè)面(包括倒角、圓弧過渡段)的受力裂縫未延伸至梁底邊，則評(píng)定該梁抗裂性合格，否則評(píng)定為不合格。

②預(yù)應(yīng)力度評(píng)價(jià)。在K=K1加載等級(jí)下持荷20 min，梁體下緣底面未發(fā)現(xiàn)受力裂縫或下緣側(cè)面(包括倒角、圓弧過渡段)的受力裂縫未延伸至梁底邊，評(píng)定該梁預(yù)應(yīng)力度合格，否則評(píng)定為不合格。

4)對(duì)于一般靜載彎曲試驗(yàn)，應(yīng)對(duì)預(yù)制梁在設(shè)計(jì)荷載下的抗裂性進(jìn)行評(píng)定。在K=1.00加載等級(jí)下持荷20 min，梁體下緣底面未發(fā)現(xiàn)受力裂縫或下緣側(cè)面(包括倒角、圓弧過渡段)的受力裂縫未延伸至梁底邊，評(píng)定該預(yù)制梁抗裂性滿足設(shè)計(jì)荷載的正常使用要求，否則評(píng)定為不滿足。

3 結(jié)語(yǔ)

為了保證公路預(yù)制梁的質(zhì)量，應(yīng)該從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化及施工標(biāo)準(zhǔn)化2方面出發(fā)同時(shí)提高設(shè)計(jì)和施工水平。預(yù)制梁的靜載彎曲試驗(yàn)是直接檢驗(yàn)設(shè)計(jì)及施工合理性的最直接方法，應(yīng)在梁廠預(yù)制階段予以充分重視。目前公路尚無(wú)成熟的針對(duì)預(yù)制梁的靜載彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)辦法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，《廣東省高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的編制是有益的補(bǔ)充，但所作的研究難免存在疏漏，在后期的實(shí)踐中將對(duì)該辦法不斷進(jìn)行完善、修改。