基于實(shí)體破壞試驗(yàn)的裂縫與承載力關(guān)系研究

楊笑天

摘 要：大量現(xiàn)役預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的承載能力急需采取有效的方法進(jìn)行快速評(píng)估。針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋彎曲裂縫的成因，本文基于30 m箱梁的實(shí)體破壞試驗(yàn)，對(duì)梁體純彎段彎曲裂縫特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)。通過(guò)分析裂縫開(kāi)展規(guī)律，總結(jié)了裂縫寬度與承載力之間的內(nèi)在關(guān)系，并采用回歸分析得出了經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)而提出了一種通過(guò)裂縫寬度對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行快速評(píng)估的方法。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土梁;破壞試驗(yàn);裂縫;承載力;快速評(píng)估

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

裂縫是橋梁最普遍的病害，也是橋梁設(shè)計(jì)中比較重要的驗(yàn)算指標(biāo)，裂縫的開(kāi)展反映了結(jié)構(gòu)承載率的變化。近年來(lái)已有文獻(xiàn)根據(jù)裂縫信息評(píng)估橋梁的承載能力。但多數(shù)是基于模型梁試驗(yàn)與數(shù)值模擬，所得結(jié)果不能完全真實(shí)反映結(jié)構(gòu)力學(xué)性能[1-2]。

本文基于實(shí)體破壞試驗(yàn)，對(duì)觀測(cè)的裂縫數(shù)據(jù)與橋梁承載率之間的關(guān)系進(jìn)行了定量分析，并提出了通過(guò)裂縫寬度對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行快速評(píng)估的方法。為現(xiàn)役橋梁的實(shí)際承載能力分析提供了參考依據(jù)。

1 實(shí)體破壞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)梁參數(shù)

預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁的長(zhǎng)度為30 m，計(jì)算跨度29.5 m。梁頂寬為2.4 m，底寬1 m，梁高1.6 m，支點(diǎn)截面頂板厚度為0.18 m，底板厚為0.25 m，跨中截面頂板厚度為0.18 m，底板厚為0.18 m。

1.2 加載程序及儀器設(shè)備

本次箱梁靜載試驗(yàn)采用千斤頂頂推反力梁給跨中施加集中力的形式，形成反力架兩端用鋼絲繩和相鄰的兩片配重梁固定，并在千斤頂下方利用鋼板制作一個(gè)長(zhǎng)度為2 m的分配梁，在跨中形成純彎段。試驗(yàn)荷載按分級(jí)加載方式進(jìn)行，測(cè)量每一級(jí)荷載下梁體1/4跨、跨中和3/4跨三個(gè)截面處的撓度值以及各點(diǎn)應(yīng)變值。待梁體開(kāi)裂后，觀察每一級(jí)荷載作用下，純彎段內(nèi)梁的裂縫間距、裂縫寬度以及裂縫高度，直至試驗(yàn)梁破壞為止。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)采集

撓度測(cè)量采用大量程電子位移計(jì)（百分表），共10個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在箱梁的跨中、L/4（L為計(jì)算跨徑，該梁L=29.0 m）截面和3L/4截面處各布置兩個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)，兩端支座各布置兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)其支座沉降。

主梁裂縫采用裂縫寬度觀測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，卷尺量測(cè)長(zhǎng)度及間距。裂縫觀測(cè)首先用肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)裂縫后采用智能裂縫寬度觀測(cè)儀測(cè)量裂紋寬度，用記號(hào)筆沿裂縫走向劃出裂紋分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 裂縫觀測(cè)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)為了分析梁體裂縫的開(kāi)展及其發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)梁體加載至出現(xiàn)首條彎曲裂縫時(shí)，用智能裂縫測(cè)寬儀記錄每一級(jí)荷載作用下的裂縫的寬度、用卷尺量測(cè)裂縫出現(xiàn)的位置以及裂縫的垂直高度。對(duì)所測(cè)得的裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，荷載加到65 t主梁腹板下緣出現(xiàn)4條裂縫并與底面貫穿。這4條裂縫的平均間距=57.6 cm，平均高度=39.3 cm，總寬度=0.3 mm。加載到70 t，腹板出現(xiàn)13條新裂縫。裂縫的平均間距=36.2 cm，平均高度=43.4 cm，總寬度=1.38 mm。加載到107 t出現(xiàn)6條新裂縫，裂縫的平均間距=25.2 cm，平均高度=57.6 cm，總寬度=6.78 mm。加載到135 t出現(xiàn)8條新裂縫，裂縫的平均間距=17.8 cm，平均高度=64.2 cm，總寬度=9.14 mm。加載完最后一級(jí)荷載裂縫的平均高度與平均間距基本沒(méi)有發(fā)生改變，但是裂縫寬度增長(zhǎng)明顯，總寬度=11.63 mm。

從試驗(yàn)與有限元模型結(jié)果可以看出，裂縫的分布和發(fā)展具有如下規(guī)律：裂縫隨荷載增加逐漸往跨中發(fā)展，隨荷載增加部分裂縫逐漸合并成一條裂縫;裂縫高度增長(zhǎng)到一定程度不再增長(zhǎng);裂縫寬度都隨荷載增加不斷增加;裂縫數(shù)量逐漸增加，裂縫由疏變密，裂縫間距不斷減小，但是到一定程度以后不再變化。

2.2 裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由于本次試驗(yàn)是在跨中進(jìn)行集中力加載，純彎段只有1 m，因此裂縫主要分布在跨中區(qū)域，因此本文選擇將跨中5 m范圍內(nèi)的裂縫進(jìn)行開(kāi)裂區(qū)段劃分，具體如圖1所示。

試驗(yàn)加載過(guò)程中梁體出現(xiàn)眾多裂縫，本文根據(jù)所劃分的區(qū)段選取16條裂縫進(jìn)行詳細(xì)分析，獲得各級(jí)荷載作用下各區(qū)段裂縫參數(shù)隨荷載變化的規(guī)律。對(duì)各個(gè)區(qū)段裂縫參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均得到縫寬與縫高的變化如下圖所示。

通過(guò)圖中各區(qū)段裂縫平均寬度與高度發(fā)展情況可以看出，在最后一級(jí)荷載作用下區(qū)段1的平均縫寬為0.49 mm，

區(qū)段2的平均縫寬為0.68 mm，區(qū)段3的平均縫寬為0.88 mm，

區(qū)段4的平均縫寬為0.75 mm，區(qū)段5的平均縫寬為0.49 mm，由此可以看出裂縫寬度在跨中最大，向兩側(cè)遞減。

最后一級(jí)荷載作用下區(qū)段1的平均縫高為1 153 mm，區(qū)段2的平均縫高為1 293 mm，區(qū)段3的平均縫高為1 405 mm，

區(qū)段4的平均縫高為1 370 mm，區(qū)段5的平均縫高為1 285 mm，由此可以看出裂縫高度在跨中最大，向兩側(cè)遞減。

提取各級(jí)荷載作用下裂縫的位置，并繪制裂縫平均間距隨荷載的變曲線，如圖3所示。

通過(guò)圖3可以發(fā)現(xiàn)隨著荷載增加裂縫的平均間距不斷減小，在剛出現(xiàn)裂縫的時(shí)候，隨著荷載增加，裂縫間距迅速減小，但是隨著荷載不斷增大，裂縫數(shù)量不再增多，裂縫間距也不再減小，加載到1 600 kN，裂縫的平均間距為15.8 cm。

2.3 裂縫與承載力關(guān)系研究

為研究裂縫參數(shù)與主梁承載力之間的關(guān)系，本文節(jié)選取試驗(yàn)純彎段內(nèi)的彎曲裂縫進(jìn)行單獨(dú)分析，研究彎曲裂縫平均縫高、平均縫寬以及平均間距隨彎矩變化的規(guī)律，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到曲線如圖4所示。

通過(guò)圖4可以看出彎曲裂縫平均縫高、平均間距在荷載增加到一定程度以后基本保持不變，此時(shí)跨中彎矩還未達(dá)到極限狀態(tài)。而平均縫寬隨荷載增加逐漸增大，并且增長(zhǎng)速率逐漸增大。因此，本文認(rèn)為裂縫平均縫寬為受彎承載力的函數(shù)，寫(xiě)為：

通過(guò)有限元模型計(jì)算得到本文試驗(yàn)梁極跨中極限彎矩為=14 920.5 kN·m。為研究裂縫寬度與承載力之間的關(guān)系，對(duì)裂縫數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到平均縫寬與承彎率之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5回歸得出：

相關(guān)系數(shù)R=0.990 85

式中：—彎曲裂縫平均縫寬;—梁體實(shí)際承受彎矩;—跨中截面極限彎矩。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際橋梁檢測(cè)過(guò)程中，可以用本文推導(dǎo)的公式對(duì)橋梁承載力進(jìn)行評(píng)估，得到橋梁實(shí)際承載狀態(tài)。但是本公式只能針對(duì)短期荷載進(jìn)行評(píng)估，未考慮長(zhǎng)期荷載對(duì)裂縫的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]李清鑫，劉小燕，張華，等.裂縫寬度的提取及在橋梁承載力評(píng)估中的應(yīng)用研究[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（1）：60-64.

[2]舒國(guó)明，尚新鴻.基于實(shí)體破壞性試驗(yàn)的橋梁梁體極限承載力評(píng)價(jià)的研究[J].公路，2010（7）：54-59.