預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋荷載試驗(yàn)

徐 艷， 譚紅梅， 曾 勇， 魏 星， 范和平， 羅小清

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心， 重慶 400074；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.忠縣暢達(dá)建設(shè)投資有限公司， 重慶 404100)

簡支T梁橋結(jié)構(gòu)受力明確，容易實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制化，施工工期短，節(jié)約成本，在我國的公路建設(shè)中得到了大范圍應(yīng)用。為了確保簡支T橋梁設(shè)計(jì)的合理性和安全性，必須對其承受荷載的能力進(jìn)行檢驗(yàn)。橋梁靜載試驗(yàn)?zāi)軌虿轵?yàn)主梁受力情況以及承受荷載的能力是否滿足規(guī)范規(guī)定的要求[1]，評價(jià)結(jié)果較為客觀、準(zhǔn)確，被業(yè)界人士廣泛應(yīng)用。嚴(yán)慶華等[1]模擬了某預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋在實(shí)驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作情況，檢驗(yàn)了橋的強(qiáng)度、剛度等基本屬性，并將試驗(yàn)得出的實(shí)際值與理論數(shù)值加以比較，判斷實(shí)際承載能力是否符合要求。穆智峰[2]通過荷載試驗(yàn)對進(jìn)行加固后的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁開展安全性能的評定，用有限元分析軟件Midas Civil進(jìn)行建模分析，將理論值與實(shí)際值進(jìn)行對比，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估。

本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁為試驗(yàn)對象，開展荷載試驗(yàn)。檢測兩種不同荷載工況條件下控制截面的最大撓度變形值、應(yīng)力和應(yīng)變值并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比，使用有限元分析軟件Midas civil進(jìn)行建模，得出的最大彎矩值以及最大剪力值與規(guī)范進(jìn)行分析對比，為同類橋梁檢測提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某6 m × 30 m預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，橋梁總長為190 m，寬度為14 m；橫斷面布置：1.75 m(人行道及欄桿)+ 10.5 m(行車道)+ 1.75 m(人行道及欄桿)，下部結(jié)構(gòu)形式為柱式墩和鉆孔樁基礎(chǔ)；0號橋臺采用重力式U型橋臺+承臺樁基礎(chǔ)，6號橋臺采用重力式U型橋臺+明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面鋪裝為9 cm厚瀝青混凝土，8 cm厚C50混凝土現(xiàn)澆層，橋梁伸縮縫采用CD-80型伸縮縫。設(shè)計(jì)荷載等級為公路二級，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，汽車荷載為公路-I級，人群荷載3.0 kN/m2。

2 靜力荷載試驗(yàn)

2.1 測試工況

依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，按橋梁的受力與變形特點(diǎn)，擬定靜載試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 靜載試驗(yàn)工況

2.2 理論分析

采用Midas Civil進(jìn)行模擬、計(jì)算分析。計(jì)算時(shí)，用梁單元模擬空心板，計(jì)算控制斷面內(nèi)力和位移。橋梁計(jì)算模型依據(jù)實(shí)際圖紙尺寸建立等比例模型，材料強(qiáng)度取值于相應(yīng)規(guī)范規(guī)定。有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

2.3 測試方法

1)撓度數(shù)據(jù)采用塔尺測量數(shù)值。本次荷載試驗(yàn)共布置1個(gè)測試截面，位于跨中，該截面橫向共設(shè)置5個(gè)撓度測點(diǎn)。

2)應(yīng)力(應(yīng)變)采用應(yīng)變片和靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行測量，分辨率為±1×10-6。在測試截面的表面上布置應(yīng)變測點(diǎn)的位置，應(yīng)力值由材料彈性模量換算而來，本次試驗(yàn)共布置1個(gè)測試截面，近偏載工況側(cè)3片T梁設(shè)置有2個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，其余每片T梁設(shè)置有1個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。

2.4 測點(diǎn)布置

2.4.1 靜力撓度測點(diǎn)

跨中布置撓度測試截面，橫向有4個(gè)撓度測點(diǎn)，并采用塔尺進(jìn)行測量，測點(diǎn)分別布置在各T梁橫向跨中頂部，撓度測點(diǎn)平面具體布置如圖2所示，撓度測點(diǎn)立面具體布置如圖3所示。

圖2 撓度測試點(diǎn)平面布置圖

圖3 撓度測試點(diǎn)立面布置圖

2.4.2 靜力應(yīng)變測點(diǎn)

本橋共布置1個(gè)應(yīng)變(應(yīng)力)測試截面，取該截面編號為J1，截面應(yīng)變測點(diǎn)分布在T梁底面及側(cè)面。測試斷面的每片主梁均需要貼片，每片T梁的測點(diǎn)需要2個(gè)應(yīng)變片進(jìn)行測量，傳感器中心到T梁側(cè)面距離為150 mm。根據(jù)該橋梁本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，控制該截面靜力應(yīng)變測點(diǎn)具體布置如圖4所示。

圖4 J1截面靜應(yīng)變測試點(diǎn)布置圖

2.5 荷載布置

為了確定加載車輛的型號、數(shù)量及質(zhì)量等基本相關(guān)參數(shù)，須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、對荷載等效計(jì)算結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

試驗(yàn)車型示意圖如圖5所示，加載車規(guī)格如表2所示，不同工況下車輛加載位置示意圖如圖6和圖7所示。在荷載試驗(yàn)開始前，全部加載車都要檢驗(yàn)并檢查質(zhì)量等基本指標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)所需加載車輛的實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行編組分類，確定不同加載工況時(shí)車輛的加載位置，保證試驗(yàn)開始至結(jié)束時(shí)所得出的荷載效率在合理的范圍之中。

圖5 車型示意圖

表2 加載車規(guī)格

圖6 工況1車輛加載位置示意圖

圖7 工況2車輛加載位置示意圖

2.6 試驗(yàn)荷載效率

本試驗(yàn)的荷載為載重汽車，車輛數(shù)量的確定由式(1)等效換算而得[7]。對于該橋而言，各截面的彎矩值由設(shè)計(jì)荷載初步確定，并依此進(jìn)行荷載的設(shè)計(jì)。本橋各試驗(yàn)截面的內(nèi)力值以及荷載效率如表3所示。

(1)

式中：η是靜力試驗(yàn)荷載效率；Sstate是檢驗(yàn)項(xiàng)目在加載下的計(jì)算效應(yīng)值；S是設(shè)計(jì)荷載作用下的最不利計(jì)算效應(yīng)值；μ是根據(jù)規(guī)范采用的沖擊系數(shù)。

表3 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

在靜載作用下，2種不同工況的實(shí)測最大撓度變形值與計(jì)算值的對比如圖8和圖9所示。

圖8 工況1上、下游側(cè)撓度實(shí)測值與計(jì)算值對比

從實(shí)測橋跨撓曲線與理論撓曲線對比可以看出，實(shí)測橋跨撓曲變形規(guī)律與計(jì)算值相符，且主要測試點(diǎn)的測量數(shù)值均小于理論計(jì)算值，說明該橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際整體變形情況合理。

圖9 工況2上、下游側(cè)撓度實(shí)測值與計(jì)算值對比

3.2 應(yīng)力測試結(jié)果

在試驗(yàn)加載中，該橋各個(gè)測試截面的實(shí)測應(yīng)變數(shù)值與理論計(jì)算應(yīng)變數(shù)值的比較如表4和表5所示。表中負(fù)號表示應(yīng)力受壓。

表4 工況1應(yīng)變實(shí)際測量值與計(jì)算值的比較

表5 工況2應(yīng)變實(shí)際測量值與計(jì)算值的比較

在靜載作用下，2種工況的實(shí)測最大應(yīng)變變形值與計(jì)算值的對比如圖10和圖11所示。

圖10 工況1上、下游側(cè)應(yīng)變實(shí)測值與計(jì)算值對比

圖11 工況2上、下游側(cè)應(yīng)變實(shí)測值與計(jì)算值對比

在不同試驗(yàn)加載條件后，J1截面各測試空心底板的應(yīng)力實(shí)際測試值與計(jì)算值的變化規(guī)律大致相似，校驗(yàn)系數(shù)和相對殘余應(yīng)變也都在合理的范圍之內(nèi)。

3.3 承載能力驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)定，該類橋梁承載能力驗(yàn)算判別式如下：

γ0S≤R(fd,ξeadc,ξsads)Z2(1-ξc)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S為荷載效應(yīng)系數(shù)；R(.)為抗力效應(yīng)函數(shù)；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;adc為構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；ads為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；Z2為承載能力驗(yàn)算系數(shù)；ξe為承載能力惡化系數(shù)；ξc為配筋混凝土的截面折減系數(shù)；ξs為鋼筋的截面折減系數(shù)。

3.3.1 抗彎承載力驗(yàn)算

利用有限元模型，算出T梁的恒載、活載內(nèi)力。根據(jù)規(guī)范，采用荷載組合Ⅰ(1.2恒載+1.4汽車荷載+0.8人群荷載)的彎矩包絡(luò)圖如圖12所示。

圖12 彎矩包絡(luò)圖

利用計(jì)算的內(nèi)力結(jié)果對跨中截面的抗彎承載力進(jìn)行驗(yàn)算，考慮各折減系數(shù)。主梁的最大彎矩與折減后的截面抗力對比如下表6所示。

表6 抗彎承載能力驗(yàn)算

3.3.2 抗剪承載力驗(yàn)算

利用有限元模型，算出T梁的恒載、活載內(nèi)力數(shù)值。根據(jù)規(guī)范，采用荷載組合Ⅰ(1.2恒載+1.4汽車荷載+0.8人群荷載)的剪力包絡(luò)圖如圖13所示。

圖13 剪力包絡(luò)圖

利用計(jì)算結(jié)果對跨中截面的抗彎承載力進(jìn)行比較，取各折減系數(shù)。主梁的最大剪力與折減后的截面抗力對比如表7所示。

表7 抗剪承載能力驗(yàn)算

從以上檢測結(jié)果可以得出結(jié)論，本橋的承載能力符合設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(公路-Ⅰ級)的要求。

4 檢測結(jié)果分析

為便于直觀地分析比較，將相應(yīng)橋跨的撓度檢測結(jié)果如表8所示。

表8 撓度檢測結(jié)果匯總

由表8可得，在2種不同荷載條件中，控制截面的實(shí)際撓度數(shù)值小于計(jì)算值，J1截面撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.64～0.87，屬于規(guī)定的合理范圍之內(nèi)；J1截面最大撓度變化量為10.27 mm，近似于中跨跨徑的1/2 921；當(dāng)各個(gè)工況卸載時(shí)，控制測點(diǎn)的實(shí)時(shí)觀測相對殘余變形數(shù)值比規(guī)范限值更小，最大達(dá)到8.51%。

該試驗(yàn)結(jié)果顯示，本次結(jié)構(gòu)剛度符合規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

(1)在試驗(yàn)荷載條件時(shí)，主要控制截面實(shí)際測量的最大撓度、應(yīng)變變形值小于理論計(jì)算值，在規(guī)定的合理范圍之內(nèi)。當(dāng)卸載之后，各測點(diǎn)實(shí)際測量的相對殘余變形數(shù)值都處于規(guī)范限制之內(nèi)。主橋橋跨結(jié)構(gòu)撓曲線走勢光滑連續(xù)，與理論計(jì)算得到的曲線形狀狀況基本相一致，說明此橋整體工作性能良好，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

(2)在試驗(yàn)荷載條件下，橋跨結(jié)構(gòu)的主要測試截面實(shí)際測量得到的應(yīng)力值在正常范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范所需要求。

(3)通過運(yùn)用Midas Civil的相關(guān)計(jì)算，該橋所具有的抗彎承載力和抗剪承載力均滿足當(dāng)今設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

綜上所述，該橋處于正常受力情況之內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度等指標(biāo)均符合規(guī)范要求，此荷載試驗(yàn)的研究方法和方式可為其他類型橋梁提供參考價(jià)值。