連續(xù)梁橋預(yù)制PC小箱梁裸梁加載試驗(yàn)研究

曾 勇，冉久黌，敖付勇，魏 星，肖光烈，李 強(qiáng)

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶市鐵路(集團(tuán)) 有限公司，重慶 401120；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司投資事業(yè)部，重慶 400074； 4.永川區(qū)公路服務(wù)中心，重慶 402160；5.中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶 400084)

隨著我國交通運(yùn)輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋因其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越、制作方便、經(jīng)濟(jì)性好，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。為了驗(yàn)證此類橋梁的設(shè)計(jì)可靠性和施工質(zhì)量是否符合要求，此類橋梁的承載能力需要得到評(píng)估。荷載試驗(yàn)是一種直觀準(zhǔn)確評(píng)估橋梁承載能力的方法[1]，在業(yè)界被廣泛運(yùn)用。龍永高等[2]通過單梁荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了橋梁裂縫為非結(jié)構(gòu)裂縫及橋梁實(shí)際承載能力滿足設(shè)計(jì)的要求；黃秀銀[3]對某多跨結(jié)構(gòu)簡支橋梁的荷載試驗(yàn)過程以及承載力評(píng)估等內(nèi)容及方法進(jìn)行深入分析，為橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)定提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

預(yù)制小箱梁橋應(yīng)用較廣，是我國常見的公路橋型之一，該橋型結(jié)構(gòu)具有建筑高度小、施工快捷、整體穩(wěn)定性強(qiáng)和結(jié)構(gòu)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。小箱梁靜載試驗(yàn)和成橋階段汽車加載不同，由于每片梁的受力不同，需要單獨(dú)考慮控制荷載，如簡支狀態(tài)橫向濕接縫、墩頂負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力張拉、橋面板、橋面鋪裝層和公路I級(jí)荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力。目前對公路預(yù)制小箱梁裸梁的靜載試驗(yàn)研究較少，參考公路預(yù)制小箱梁橋在施工過程中的受力情況，對小箱梁橋裸梁階段進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究，可豐富該橋型結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，為同類型橋梁結(jié)構(gòu)提供參考。

1 工程概況

某橋?yàn)?×20 m裝配式先簡支后連續(xù)PC小箱梁連續(xù)梁橋，單幅橋的橫向布置為2×0.5 m+11.25 m，橫向布設(shè)4片預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，主梁為C50混凝土，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-I級(jí)。

出廠前的預(yù)制PC小箱梁需抽樣進(jìn)行加載試驗(yàn)，以檢驗(yàn)該批次預(yù)制PC小箱梁的性能是否符合設(shè)計(jì)要求。本次靜力荷載試驗(yàn)的PC小箱梁共1片，在業(yè)主單位、監(jiān)理單位、施工單位、檢測單位等參建單位的見證下，按照《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344-2019)的規(guī)范要求，結(jié)合預(yù)制PC小箱梁的現(xiàn)場存放位置、梁體外觀情況、梁場的試驗(yàn)操作等客觀條件，從將用于現(xiàn)場橋梁的、目前位于存梁場內(nèi)的47片預(yù)制PC小箱梁中抽取1片外觀相對較差的PC小箱梁。最終抽取結(jié)果為左幅5-3端跨中梁，各片PC小箱梁均處于梁場簡支狀態(tài)，見圖1、圖2。

圖1 該橋跨中主梁整體斷面圖

圖2 該橋跨中主梁單個(gè)小箱梁斷面圖

以該橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢υ摌蜃蠓?-3端跨中梁(裸梁)進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，研究該梁在最不利設(shè)計(jì)荷載作用下其控制截面的應(yīng)變和撓度，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對比分析，對試驗(yàn)前后控制截面其他異常(如裂縫等)現(xiàn)象進(jìn)行觀測，來評(píng)估該梁的承載能力。該橋從其受力特點(diǎn)看可以分為端跨、中跨和次中跨，在成橋階段，該橋端跨控制截面的彎矩最大，次中跨和中跨的彎矩次之，端跨包括端跨邊梁和端跨中梁，端跨邊梁的彎矩最大，端跨中梁則次之。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 控制荷載的計(jì)算

2.1.1 建立模型

根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil對PC小箱梁進(jìn)行彈性階段的受力分析，計(jì)算模型共計(jì)45個(gè)節(jié)點(diǎn)，44個(gè)單元。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以試驗(yàn)箱梁的實(shí)際安裝位置建立邊界條件，計(jì)算模型見圖3。

圖3 端跨中梁的MIDAS計(jì)算模型圖

2.1.2 計(jì)算控制荷載的確定原則

在正常使用狀態(tài)下，以試驗(yàn)箱梁跨中截面最大彎矩作為試驗(yàn)加載的依據(jù)，按照試驗(yàn)箱梁跨中截面下緣混凝土應(yīng)力增量等效的原則，通過建立有限元模型計(jì)算各片梁的橫向分布影響線?？刂坪奢d計(jì)算原則為：

(1)在簡支狀態(tài)下，根據(jù)橫向分布影響線計(jì)算橫向濕接縫在試驗(yàn)箱梁跨中下緣產(chǎn)生的混凝土應(yīng)力增量(σ1)；

(2)在墩頂負(fù)彎矩區(qū)，計(jì)算由于預(yù)應(yīng)力張拉在試驗(yàn)箱梁跨中下緣產(chǎn)生的混凝土應(yīng)力增量(σ2)；

(3)根據(jù)橫向分布影響線，計(jì)算由8 cm混凝土橋面板的重量在試驗(yàn)箱梁跨中下緣產(chǎn)生的混凝土應(yīng)力增量(σ3)；

(4)根據(jù)橫向分布影響線，計(jì)算由10 cm瀝青混凝土橋面鋪裝層和欄桿的重量在試驗(yàn)箱梁跨中下緣產(chǎn)生的混凝土應(yīng)力增量(σ4)；

(5)根據(jù)橫向分布影響線，計(jì)算公路-Ι級(jí)荷載處于最不利位置時(shí)(包括沖擊系數(shù)和橫向折減系數(shù))在試驗(yàn)箱梁跨中下緣產(chǎn)生的混凝土應(yīng)力增量(σ5)。

應(yīng)力σ總作為加載控制的依據(jù)，計(jì)算公式如下：

σ總=σ1+σ2+σ3+σ4+σ5

(1)

該橋20 m箱梁端跨中梁跨中內(nèi)力等效計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 該橋20 m箱梁端跨中梁跨中內(nèi)力等效計(jì)算結(jié)果

按照橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，考慮橋梁荷載的實(shí)際情況、最不利荷載情況等因素進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為：簡支狀態(tài)下箱梁的跨中截面等效彎矩為1 369.2 kN·m，最大撓度計(jì)算值為8.47 mm。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)撓度測試：在試驗(yàn)箱梁上布置5個(gè)撓度測試截面，分別在L/4、L/2、3L/4位置布置2個(gè)測點(diǎn)，兩個(gè)支點(diǎn)截面各布置1個(gè)測點(diǎn)。在測試截面布置2個(gè)相對式電測位移計(jì)(0～30 mm機(jī)電百分表)進(jìn)行測試截面撓度檢測，分辨率為±0.01 mm。

(2)應(yīng)變測試：在試驗(yàn)箱梁上布置2個(gè)應(yīng)變測試截面。測點(diǎn)均布置在混凝土表面上，共計(jì)22個(gè)測點(diǎn)，應(yīng)力根據(jù)實(shí)測應(yīng)變和主梁混凝土彈性模量理論值換算得到。采用應(yīng)變片(BX120-80AA)和高速靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)變測試，分辨率為±1×10-6。主要測試儀器組成見圖4。

圖4 主要測試儀器組成圖

(3)裂縫觀測：采用裂縫寬度儀觀測主梁在試驗(yàn)荷載作用下的裂縫變化情況，分辨率為±0.02 mm。

2.3 測試截面及測點(diǎn)布置

2.3.1 靜力撓度測點(diǎn)

圖5 左幅5-3端跨中梁撓度測點(diǎn)布置圖/cm

2.3.2 靜力應(yīng)變測點(diǎn)

試驗(yàn)箱梁共布置2個(gè)應(yīng)變測試截面，分別是J1截面和J2截面，在試驗(yàn)箱梁下表面布置應(yīng)變測點(diǎn)。應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

圖6中“-”標(biāo)記為試驗(yàn)箱梁下表面靜應(yīng)變測點(diǎn)，“×2”表示該部位布置2個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，其余沿順橋向布置1個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。選用阻值相同的應(yīng)變片，粘貼時(shí)應(yīng)對箱梁貼片部位表面進(jìn)行處理，確保應(yīng)變片粘貼牢固、定位準(zhǔn)確、滿足絕緣要求、防潮(水)防損傷措施得當(dāng)。實(shí)橋跨中斷面的應(yīng)變與撓度測試裝置如圖7所示。

圖7 實(shí)橋跨中斷面的應(yīng)變與撓度測試裝置

2.4 加載位置及加載制度

2.4.1 加載位置

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場情況，采用每卷2 t的鋼筋作為加載重物進(jìn)行均布加載，根據(jù)每片試驗(yàn)PC小箱梁計(jì)算需要的重量分別進(jìn)行加載。按照圖8的試驗(yàn)荷載情況進(jìn)行加載，其中q為均布荷載集度，實(shí)驗(yàn)加載現(xiàn)場照片如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)加載圖(單位：mm)

圖9 實(shí)驗(yàn)加載現(xiàn)場照片

2.4.2 加載制度

(1)預(yù)載

正式加載前，應(yīng)對各試驗(yàn)加載截面進(jìn)行預(yù)載(約為滿載的1/2～2/3)，以消除非彈性形變的不利影響。

(2)加載方式

①根據(jù)存梁場內(nèi)的現(xiàn)場條件，加載所采納的方法是逐級(jí)遞加到控制荷載，然后一次性卸載；

②加載之前在梁面上應(yīng)標(biāo)注各加載工況下重物的縱、橫向位置和加載順序等；

③按內(nèi)力等效的方法確定試驗(yàn)加載位置和加載重物數(shù)量，同時(shí)使試驗(yàn)荷載效率滿足相關(guān)檢測規(guī)范的要求；

④按預(yù)先確定方案進(jìn)行正式加載，在加載過程中監(jiān)測控制截面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

(3)加載分級(jí)

①根據(jù)加載重物數(shù)量和重物質(zhì)量分2～4級(jí)進(jìn)行加載，本次試驗(yàn)的具體分級(jí)為零載、試驗(yàn)控制荷載的40%、70%、100%，根據(jù)前幾級(jí)荷載作用下結(jié)構(gòu)實(shí)測響應(yīng)的大小等因素，以確保安全為基本原則進(jìn)行加載分級(jí)的調(diào)整；

②卸載采用的方法為一次性卸載，以控制加載時(shí)間和減少由于時(shí)間效應(yīng)帶來的測試誤差。試驗(yàn)加載程序如表2所示，其中q為均布荷載集度。

表2 試驗(yàn)加載程序表

2.5 試驗(yàn)荷載效率

本次靜載試驗(yàn)所用試驗(yàn)荷載由設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載所產(chǎn)生的最不利內(nèi)力等效換算而得，靜載試驗(yàn)效率ηq需滿足等效換算的原則：

(2)

其中：ηq為靜力試驗(yàn)荷載效率；Ss為在靜力試驗(yàn)荷載作用下，加載控制截面內(nèi)力或變位的最大計(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)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ為設(shè)計(jì)計(jì)算取用的動(dòng)力增大系數(shù)。端跨中梁的靜載試驗(yàn)荷載效率計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 靜載試驗(yàn)荷載效率計(jì)算結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 撓度測試結(jié)果

按預(yù)定試驗(yàn)方案對左幅5-3端跨中梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，各截面撓度采用精密水準(zhǔn)儀檢測。在正載工況下，測點(diǎn)實(shí)測撓度值與理論值比較見圖10。

圖10 實(shí)測撓度值與理論值比較

3.2 應(yīng)變測試結(jié)果

在試驗(yàn)荷載作用下，J1截面和J2截面的正載應(yīng)變測試結(jié)果見圖11、圖12，圖中應(yīng)變以梁體混凝土受拉為正，受壓為負(fù)，布置有多個(gè)測點(diǎn)的測試部位，應(yīng)變?nèi)《鄠€(gè)測點(diǎn)實(shí)測值的均值。

圖11 J1截面正載應(yīng)變測試結(jié)果

圖12 J2截面正載應(yīng)變測試結(jié)果

3.3 裂縫觀測結(jié)果

靜載試驗(yàn)前，左幅5-3端跨中梁測試截面附近區(qū)域未發(fā)現(xiàn)裂縫，試驗(yàn)荷載作用下，測試截面附近區(qū)域未見新增裂縫，試驗(yàn)過程中試驗(yàn)單梁未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定

3.4.1 結(jié)構(gòu)剛度評(píng)定

為了便于比較分析，將試驗(yàn)橋跨的主要撓度檢測結(jié)果匯總列于表4中。

表4 撓度測試結(jié)果匯總

分析表4撓度數(shù)據(jù)可知：在正載荷載工況作用下，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.73～0.82，處于合理范圍內(nèi)；左幅5-3端跨中梁的跨中最大實(shí)測撓度增量為7.99 mm，約為跨徑的1/2 503；卸載后，控制測點(diǎn)的最大實(shí)測相對殘余變形為9.8%，小于規(guī)范限值。

3.4.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定

為便于比較分析，將全橋2個(gè)應(yīng)力測試截面的主要檢測結(jié)果匯總列于表5中。

表5 應(yīng)變測試結(jié)果匯總

分析表5的實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)可知：試驗(yàn)橋跨測試截面的實(shí)測應(yīng)變處于正常范圍，校驗(yàn)系數(shù)為0.78～0.88。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)PC小箱梁各控制截面的實(shí)測撓度值小于計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.73～0.82，在小于1的合理范圍內(nèi)。左幅5-3端跨中梁的跨中最大實(shí)測撓度值為7.99 mm，約為計(jì)算跨徑的1/2 503。各測點(diǎn)的實(shí)測撓度值均小于理論計(jì)算撓度值，且變化趨勢基本一致，表明結(jié)構(gòu)撓度曲線與理論計(jì)算曲線基本一致，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)試驗(yàn)PC小箱梁測試截面的應(yīng)力(應(yīng)變)校驗(yàn)系數(shù)為0.78～0.88，在小于1的合理范圍內(nèi)。各工況實(shí)測應(yīng)變曲線均位于理論應(yīng)變曲線下方，且變化趨勢基本一致，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與理論計(jì)算基本一致，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)試驗(yàn)PC小箱梁結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了荷載效率為0.99的靜力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)加載過程中未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測結(jié)構(gòu)的最大殘余應(yīng)變?yōu)?6.2%，最大相對殘余變形為9.8%，表明測試截面處于彈性工作狀態(tài)。

(4)加載前及荷載作用下，試驗(yàn)PC小箱梁測試截面附近區(qū)域內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)新增的可見橫向裂縫。

(5)對左幅5-3端跨中梁進(jìn)行短期加載靜載試驗(yàn)后，該梁控制截面撓度和應(yīng)力均未出現(xiàn)異常，且未出現(xiàn)任何裂縫。試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)PC小箱梁結(jié)構(gòu)靜力性能滿足設(shè)計(jì)荷載的正常使用要求。