預(yù)應(yīng)力小箱梁單梁靜載試驗分析

王陽春

（1.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250002；2.橋梁結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)與性能診治提升重點實驗室，山東 濟南 250002）

1 工程概況

某高速公路預(yù)應(yīng)力小箱梁跨徑30 m，雙向四車道，設(shè)計行車速度為110 km/h；橋梁寬度為2×12.75 m，荷載等級為公路Ι級?；炷翗?biāo)號C50，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用高強度低松弛鋼絞線，單根鋼絞線公稱直徑15.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)強度1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，松弛系數(shù)ζ=0.3。30 m中箱梁截面尺寸及鋼束布置見圖1、圖2。

圖 1 鋼束立面布置（mm）

圖 2 跨中橫斷面（mm）

2 小箱梁腹板裂縫外觀形式

選取10片小箱梁進行檢測，發(fā)現(xiàn)箱梁主要存在病害為腹板縱向裂縫。對腹板上每條裂縫起點與終點進行定位，測量每條裂縫寬度以及混凝土保護層厚度。

通過檢測，發(fā)現(xiàn)梁腹板共存在34條縱向裂縫，裂縫寬度分布見圖3。其中大部分裂縫位于梁體0～L/4范圍內(nèi)，均延預(yù)應(yīng)力波紋管方向分布，裂縫長度介于70～350 cm之間，縫寬≤0.1 mm的有19條，縫寬介于0.1～0.2 mm的有13條，縫寬超出規(guī)范限值的有2條，分別是：K25+938左幅9-4#梁一條縱向裂縫，縫長286 cm，縫寬0.22 mm、右幅6-2#梁一條縱向裂縫，縫長290 cm，縫寬0.3 mm。對其中部分縫寬較寬裂縫以及超限裂縫進行裂縫深度檢測，縫深介于21～57 mm之間，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)超限裂縫，縫深大于保護層實測值，其余裂縫均未超過保護層實測值。

縱向裂縫的分布規(guī)律以及開裂的擴展方向主要特點：在小箱梁各種因素作用下，縱向裂縫主要在0～L/4跨之間，裂縫呈水平斜向上的走勢，基本與預(yù)應(yīng)力管道的走勢一致，腹板縱向裂縫連續(xù)，裂縫寬度的最大位置基本出現(xiàn)在裂縫中間部分。

對部分較寬裂縫進行深度檢測，并將裂縫分布位置結(jié)合預(yù)應(yīng)力管道走向繪制成圖，存在超限裂縫及部分縫寬較寬的箱梁裂縫走向見圖4。

圖 3 裂縫寬度分布（mm）

圖 4 裂縫走向分布

3 小箱梁單梁靜載試驗分析

3.1 靜載試驗方案

3.1.1 測試截面及測點布置

（1）測試截面的選擇

采用Midas Civil軟件進行有限元分析計算，在設(shè)計活載及二期恒載的作用下，小箱梁的最大彎矩和最大撓度均發(fā)生在跨中L/2處，將跨中截面作為控制截面進行測試，滿足工程需求，試驗荷載效率系數(shù)取值為邊梁0.99，中梁0.97。

（2）測點布置

選取試驗梁跨中、L/4截面、3/4L截面及兩支點作為撓度測試截面，各布置2個撓度測點，共布置10個位移測點，撓度測點布置見圖5；選取試驗梁跨中截面作為應(yīng)力測試截面，分別在腹板上中下緣布置應(yīng)變測點，共布置7個測點截面，應(yīng)力測點布置見圖6。試驗前和試驗過程中及試驗結(jié)束后，對梁結(jié)構(gòu)裂縫進行測試，觀察整個試驗過程中小箱梁梁體有無新增裂縫產(chǎn)生。

圖5 撓度測點布置

圖6 應(yīng)變測點布置

3.1.2 靜載試驗方法

觀測內(nèi)容及方法：（1）支點、四分點、跨中撓度觀測，用百分表進行觀測。（2）跨中應(yīng)力觀測，采用振弦式應(yīng)變計進行測試，采用BGK-408數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)的采集。（3）裂縫觀測，采用裂縫測寬儀進行觀測。（4）其他異常情況檢查，以目測的形式進行。加載方式：在跨中6 m范圍內(nèi)采用配重塊進行堆載加載，每個配重塊質(zhì)量為13 t，加載布置見圖7。

圖7 加載布置

3.2 靜載試驗結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力測試結(jié)果分析

主梁應(yīng)力實測值及計算值見表1，沿梁高的應(yīng)變分布曲線見圖8～圖9。

表1 跨中截面靜載試驗應(yīng)變測試結(jié)果

由表1可知：（1）中梁跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.47～0.58之間，邊梁跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.49～0.59之間；梁體各測點的撓度及應(yīng)變實測值均小于理論計算值，表明梁體強度滿足設(shè)計要求。（2）各測點的相對殘余應(yīng)變均小于20%，說明單片小箱梁處于彈性工作狀況。（3）由圖8、圖9可知，邊梁及中梁實測彈性應(yīng)變沿截面高度的線形關(guān)系良好，截面變形符合平截面假定，表明預(yù)制梁在試驗荷載作用下呈彈性工作狀態(tài)。在滿載下根據(jù)回歸公式，可得中梁實測中性軸高度0.958 1 m，理論值為0.963 6 m，邊梁實測中性軸高度0.992 3 m，理論值為1.006 m，表明實測值與理論值比較吻合。

3.2.2 撓度測試結(jié)果分析

主梁撓度實測值及計算值見表2，可知：（1）中梁跨中截面撓度校驗系數(shù)為0.58，四分點撓度校驗系數(shù)分別為0.57、0.66；邊梁跨中截面撓度校驗系數(shù)為0.64，四分點撓度校驗系數(shù)分別為0.67、0.63；梁體各測點的撓度及應(yīng)變實測值均小于理論計算值，表明梁體剛度滿足設(shè)計要求。（2）各測點的相對殘余變形均小于20%，說明單片小箱梁處于彈性工作狀況。（3）通過在箱梁跨徑4分點布置位移傳感器測量的撓度曲線，見圖10～圖11。可見，隨著荷載的增加，箱梁撓度亦呈規(guī)律性的遞增變化，構(gòu)件撓度曲線光滑、無異常變化點，與簡支結(jié)構(gòu)在此類荷載作用下的變形基本規(guī)律相符。

圖8 滿載作用下中梁跨中梁高應(yīng)變關(guān)系曲線

圖9 滿載作用下邊梁跨中梁高應(yīng)變關(guān)系曲線

表2 跨中截面靜載試驗撓度測試結(jié)果

圖10 滿載作用下中梁梁長-撓度曲線

圖11 滿載作用下邊梁梁長-撓度曲線

3.3.3 裂縫發(fā)展情況

試驗加載后對梁體進行全面、仔細地觀測，小箱梁梁體表面原有裂縫未發(fā)現(xiàn)明顯變化，加載過程中及加載結(jié)束后梁體各部位均無新增裂縫出現(xiàn)。

4 結(jié)語

（1）中梁跨中截面撓度校驗系數(shù)為0.58，四分點撓度校驗系數(shù)分別為0.57、0.66；跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.47～0.58之間；梁體各測點的撓度及應(yīng)變實測值均小于理論計算值，表明梁體強度及剛度滿足設(shè)計要求。（2）邊梁跨中截面撓度校驗系數(shù)為0.64，四分點撓度校驗系數(shù)分別為0.67、0.63；跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.49～0.59之間；梁體各測點的撓度及應(yīng)變實測值均小于理論計算值，表明梁體強度及剛度滿足設(shè)計要求。（3）邊梁及中梁實測彈性應(yīng)變沿截面高度的線形關(guān)系良好，截面變形符合平截面假定，表明預(yù)制梁在試驗荷載作用下呈彈性工作狀態(tài)。（4）各測點的相對殘余變形及應(yīng)變均小于20%，說明單片小箱梁處于彈性工作狀況。（5） 試驗過程中梁體原裂縫并未發(fā)展，無新增裂縫。通過對該試驗梁單梁靜載試驗結(jié)果及試驗現(xiàn)象的綜合分析，說明試驗梁的剛度、強度及抗裂性均滿足設(shè)計要求，承載能力滿足設(shè)計荷載要求。