基于破壞試驗的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁承載能力試驗研究

付信根， 吳 瑞

(廣東合眾路橋科技股份有限公司， 廣州 510310)

預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁因設(shè)計受力明確，抗扭特性較好且施工技術(shù)相對簡單、方便，適合標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化制造[1]，被廣泛應(yīng)用于我國道路橋梁建設(shè)。目前國內(nèi)學(xué)者和工程界對預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁承載能力試驗研究大多以小比例模型梁為主，試驗結(jié)果與實際足尺的工程梁有一定差異，但在工程應(yīng)用中對小箱梁設(shè)計理念的合理性、施工工藝的成熟性、結(jié)構(gòu)受力的安全性等方面進行相關(guān)研究，對我國工程建設(shè)質(zhì)量的控制具有較大意義。本文以某高速公路項目中應(yīng)用較多的25 m跨徑預(yù)制混凝土小箱梁進行破壞性試驗，以研究該類小箱梁結(jié)構(gòu)的承載能力及性能[2-5]，為設(shè)計、施工、檢驗提供技術(shù)支持。

1 工程概況

某高速公路項目主線全長約57.673 km，設(shè)計時速100 km，雙向4車道，荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級。橋面全寬26.0 m，左右幅橋面凈寬均為12.0 m。項目中小橋梁大部分采用25 m簡支斜腹板小箱梁結(jié)構(gòu)，主梁混凝土為C50、梁高1.4 m，每幅橋橫橋向由4片梁組成，各梁間采用現(xiàn)澆61 cm寬濕接縫連接，橋面整體化層采用10 cm厚C50防水混凝土鋪設(shè)，橋面采用9 cm厚瀝青混凝土鋪裝。

為深入了解小箱梁的預(yù)應(yīng)力度、結(jié)構(gòu)承載能力及施工工藝質(zhì)量，驗證設(shè)計參數(shù)等，項目選取25 m跨徑預(yù)制小箱梁進行破壞性的單梁承載能力試驗。主梁典型截面如圖1所示。

(a) 支點截面 (b) 跨中及L/4截面

2 試驗方案設(shè)計

2.1 計算分析及加載

根據(jù)橋梁設(shè)計及試驗相關(guān)要求，考慮10 cm混凝土現(xiàn)澆層的作用，按剛接板法計算活載橫向分布系數(shù)，利用“橋梁博士”結(jié)構(gòu)分析軟件[6]，計算試驗梁在各工況下的內(nèi)力及應(yīng)力，將主梁細分為54個單元，計算模型如圖2所示，計算采用預(yù)制梁各階段截面力學(xué)特性見表1，內(nèi)力及應(yīng)力計算結(jié)果見表2，加荷方式采用五點加荷法，采用液壓千斤頂反力臺座來實現(xiàn)，如圖3所示。

圖2 計算模型

表1 主梁各施工階段截面特性

表2 各工況下內(nèi)力及應(yīng)力計算結(jié)果

單位：m

2.2 測試內(nèi)容及加載工況設(shè)計

單梁破壞試驗是研究預(yù)制結(jié)構(gòu)承載能力最直接、最準(zhǔn)確的試驗方法，成本一般較高，但因該試驗過程可獲得大量重要結(jié)構(gòu)參數(shù)信息而一直受到業(yè)界的青睞。

承載能力試驗對試驗技術(shù)和經(jīng)驗要求都非常高，試驗前需對試驗方案進行精心策劃。根據(jù)以往測試經(jīng)驗，試驗大致可分為4個工況階段進行：

1) 裂前試驗：一般加至設(shè)計荷載，檢驗梁體的正常工作性能。

2) 開裂試驗：加載至試驗梁受拉區(qū)出現(xiàn)開裂后終止，在試驗中，根據(jù)實測的荷載與撓度、應(yīng)力的關(guān)系圖可推算出主梁的開裂彎矩。

3) 重裂試驗：重新加荷至試驗梁拉區(qū)開裂，可由荷載與撓度、應(yīng)力的關(guān)系曲線推算梁體的消壓彎矩。

4) 破壞試驗：試驗梁開裂后繼續(xù)加載至梁體破壞，可由荷載與撓度、應(yīng)力的關(guān)系曲線推算出主梁的破壞彎矩。

通過對上述主梁相關(guān)實測試驗參數(shù)的分析，可獲得主梁正常使用狀態(tài)下的受力狀況及承載能力的安全儲備，為設(shè)計及后期施工提供關(guān)鍵參數(shù)，為進一步優(yōu)化設(shè)計、施工工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

按理論計算出試驗梁的消壓彎矩、開裂彎矩、破壞彎矩[7-9]，折算出每個加載點實際需加載的加載值，計算結(jié)果及各工況分級見表3。

表3 各階段工況加載及彎矩效應(yīng)

2.3 測點布置

根據(jù)理論計算結(jié)果及測試目的，在試驗梁跨中、L/4截面分別沿截面高度各安裝有振弦式應(yīng)變測點10個，同時為準(zhǔn)確測試到梁體的開裂、重裂荷載，還在梁體兩側(cè)跨中下緣2.85 m范圍內(nèi)布置振弦式應(yīng)變測點38個，如圖4所示。

(a) 跨中及L/4載面 (b) 跨中截面

為了解梁體的變形情況，在梁的跨中、L/4截面和支點共布置大量程百分表測點[10]10個；考慮到破壞試驗中梁體撓度很大，將超過百分表的量程，因此還在梁兩側(cè)的支點及跨中共布置了水準(zhǔn)儀撓度測點[11]6個。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 裂前試驗

加載至120 kN時，試驗梁跨中下緣兩側(cè)2.85 m范圍內(nèi)應(yīng)變測點的實測應(yīng)變與荷載成線性變化，未出現(xiàn)明顯的異常突變，試驗梁下緣拉應(yīng)力區(qū)處于彈性變形狀態(tài)。當(dāng)加載超過120 kN后，各測點應(yīng)變隨荷載增加的幅度出現(xiàn)差異，試驗梁下緣混凝土已部分消壓，處于受拉狀態(tài)，由于混凝土材料的不均勻性等，各抗裂測點應(yīng)變變化有所差異。

在裂前試驗加載過程中，荷載值與撓度呈線性關(guān)系，主梁變形仍處于彈性工作狀態(tài)，如圖5所示。 從圖5可知，加載至160 kN時，實測跨中彈性撓度為21.95 mm，由此推算出主梁混凝土的彈性模量為3.711×104MPa。

圖5 裂前試驗撓度實測結(jié)果

在裂前試驗各加載工況下，主梁實測應(yīng)變沿梁高分布如圖6所示。從圖6可以看出，截面應(yīng)變沿截面高呈線性分布，根據(jù)截面應(yīng)變回歸方程，跨中截面中性軸高度為0.801 m，與表1計算值0.816 m相符。

圖6 裂前試驗跨中截面應(yīng)變分布實測結(jié)果

3.2 開裂試驗

試驗梁加載至150 kN前，主梁變形仍處于彈性工作狀態(tài)，未出現(xiàn)肉眼可見裂縫；加載至160 kN后，梁體右側(cè)出現(xiàn)3條細微裂縫，此時右側(cè)裂縫繼續(xù)發(fā)展，其中以跨中下緣位置處裂縫發(fā)展最快，在腹板上高度為22.5 cm，并向底板上延伸12.5 cm；加載至180 kN時，在主梁底板發(fā)現(xiàn)了一條貫通裂縫；加載至220 kN時，裂縫沿腹板延伸高度有39.0 cm，同時在主梁底板跨中附近發(fā)現(xiàn)多條貫通裂縫，此時撓度明顯增大，但未發(fā)現(xiàn)腹板出現(xiàn)有斜向開裂；卸載后裂縫大部分閉合。

加載至150 kN前，實測應(yīng)變與荷載值呈線性關(guān)系，加載至160 kN后，實測應(yīng)變出現(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn)，表明梁體已出現(xiàn)細微裂縫；加載至180 kN后，受拉區(qū)應(yīng)變已出現(xiàn)突變，裂縫擴展加快，梁體受力進入彈塑性狀態(tài)。

試驗梁跨中開裂試驗中在跨中截面的左、右側(cè)分別布置了B1～B19、B24～B42各19個應(yīng)變測試點，其中典型應(yīng)變測試點實測結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，主梁左側(cè)平均開裂荷載[12]為160.5 kN，右側(cè)平均開裂荷載為159.0 kN，與由跨中撓度推算的開裂荷載163.1 kN相近。

(a) 左側(cè)開裂荷載

(b) 右側(cè)開裂荷載

開裂試驗加載至150 kN前實測跨中撓度值，由此推算出主梁混凝土的彈性模量為3.685×104MPa，與裂前試驗實測結(jié)果基本一致。實測荷載-跨中撓度曲線如圖8所示。圖8表明，加載至150 kN前，跨中撓度與荷載值呈線性變化；加載至170 kN后，跨中撓度變化加大，此時梁體裂縫發(fā)展明顯，且主梁剛度下降。根據(jù)圖8可確定梁體的開裂荷載約為163.1 kN，并據(jù)此推算出開裂彎矩為3 340 kN·m。

3.3 重裂及破壞試驗

3.3.1 重裂階段

重裂試驗梁體跨中拉區(qū)應(yīng)變的測試結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，加載至100 kN前，應(yīng)變與荷載值呈線性變化；加載至120 kN后，受拉混凝土應(yīng)變變化明顯加大[13]，此時梁體跨中下緣已消壓，處于非線彈性工作狀態(tài)。由圖9還可知，試驗梁的平均消壓荷載為120.1 kN，與由跨中撓度確定的消壓荷載117.9 kN相近。

(b) 右側(cè)消壓荷載

重裂試驗中，加載至120 kN前，實測跨中、L/4 截面撓度與荷載值呈線性變化，梁體拉區(qū)暫未出現(xiàn)消壓，如圖10所示。繼續(xù)加載后，撓度變化明顯增大，主梁拉區(qū)裂縫寬度進一步擴大，結(jié)構(gòu)剛度下降。由圖10可確定主梁的消壓荷載約為117.9 kN，并據(jù)此推算出消壓彎矩為2 463 kN·m，由消壓彎矩推算出試驗梁的有效預(yù)應(yīng)力為8.06 MPa。

圖10 試驗梁重裂試驗撓度實測結(jié)果

3.3.2 破壞階段[14-15]

當(dāng)加載至1.5～1.6倍設(shè)計荷載(300 kN)時，主梁拉區(qū)裂縫最大寬度為0.19 mm～0.2 mm，間距約10 cm～15.5 cm，最大縫長約77 cm；主梁L/4跨徑附近腹板出現(xiàn)有斜向開裂，最大寬度為0.1 mm。加載至1.8～1.9倍設(shè)計荷載(350 kN)時，主梁底板貫通裂縫明顯增加，分布間距約11 cm～15 cm，跨中底板裂縫向上延伸至約100.5 cm高，寬度介于0.27 mm～0.31 mm。

(a) 左側(cè)消壓荷載

當(dāng)加載至2.0～2.2倍設(shè)計荷載(設(shè)計荷載為191 kN)時，跨中部位數(shù)條裂縫已延伸至翼板根部，裂縫寬度最大達0.38 mm，如圖11所示。卸載后，試驗梁裂縫均有較大閉合，裂縫表面寬度在0.06 mm以內(nèi)，跨中殘余撓度為5.88 mm。

破壞階段實測主梁跨中、L/4截面應(yīng)變沿截面高度分布結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，加載達230 kN時，跨中截面中性軸高度開始上升，隨后出現(xiàn)突變式上升；加載至420 kN時，壓區(qū)高度降低至約200 mm，此時梁體底板、腹板裂縫分布區(qū)域加大，跨中附近拉區(qū)裂縫開裂充分，試驗梁的破壞過程為塑性破壞，表明主梁設(shè)計布筋較合理且結(jié)構(gòu)安全儲備較大。

單位：cm

圖12 破壞試驗主梁跨中截面應(yīng)變沿梁高分布實測結(jié)果

加載至最大級時，實測跨中彈性撓度為127.47 mm。破壞試驗主梁跨中、L/4截面撓度實測結(jié)果如圖13所示。從圖13可知，試驗梁變形有3個明顯的階段，即線彈性變化階段(0～120 kN)、消壓后的彈性變化階段(120 kN～220 kN)和塑性變化階段(220 kN～420 kN)。梁體進入塑性變化階段后，試驗梁普通鋼筋最先屈服，撓度變化明顯增大，此時由于主梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋強度相對較高且未出現(xiàn)明顯屈服，因此荷載值與撓度仍呈近似的線性變化。

圖13 破壞試驗主梁跨中、L/4截面撓度實測結(jié)果

4 結(jié)論

1) 由裂前試驗實測結(jié)果推算出主梁混凝土的彈性模量為3.711×104MPa，跨中截面中性軸高度為0.801 m，與理論計算結(jié)果吻合。

2) 由開裂試驗實測結(jié)果推算出主梁跨中下緣開裂彎矩為3 340 kN·m。

3) 由重裂試驗實測結(jié)果推算出該梁跨中下緣消壓彎矩為2 463 kN·m，并據(jù)此推算出有效預(yù)壓應(yīng)力為8.06 MPa，設(shè)計計算值為10.1 MPa，說明該梁預(yù)應(yīng)力較設(shè)計理論值偏低。

4) 破壞階段主梁最大加載彎矩為8 110 kN·m(達2.2倍設(shè)計荷載)。最大級加載下，試驗梁裂縫分布合理，整個破壞過程屬典型的塑性破壞過程，說明該預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計布筋較合理且具有較高的安全儲備。

5) 針對試驗梁實測有效預(yù)應(yīng)力相對設(shè)計理論值偏低(二者比值為0.80)，建議進一步分析原因并在后期工程梁施工過程中完善預(yù)應(yīng)力施工工藝，加強預(yù)制梁的錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測，確保結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力度及抗裂性能滿足設(shè)計要求。