預應力混凝土梁橋結構的受力分析

李勝龍 李立君 蘇笮斌 謝春陽 羅濤 何夕成

1.四川鐵科新型建材有限公司 四川 成都 610404

2.四川巨星新型材料有限公司 四川 成都 611731

1 預應力混凝土梁橋結構的受力性能試驗

1.1 工程概述

天津—石家莊高速公路起于石家莊市，至于天津市，津冀界至保石界主線長169.8公里。由于該項目部分路段地處交通閉塞，自然條件較差，施工難度大，需要通過修建橋梁的方式來溝通高山峽谷兩端的道路[4]。所研究的橋梁為混凝土結構，總長394m，如圖1所示。

圖1 橋梁示意圖

1.2 試件及材料

仿照圖1中所示大橋的梁橋結構，制成應力分析所需要試件，該試件制作的材料與實際大橋梁橋結構的澆筑材料一致，具體如表1所示[5]。

表1 試件（梁橋結構）制作材料

1.3 試驗設備

預應力混凝土梁橋結構的受力性能試驗所需要的相關試驗設備如2所示。

1.4 試件制作

基于表2給出的梁橋結構制作材料，在表2中部分設備的幫助下，制成試件。具體過程如下：

表2 試驗設備表

步驟1：設計混凝土配合比。適配配合比采用參考津石高速津冀界至保石界六分部1#拌合站C50混凝土配合比。

步驟2：利用混凝土配料機，按照表4進行C50混凝土配料；

步驟3：基于混凝土攪拌機，對C50混凝土材料進行攪拌。

步驟4：測量混凝土的坍落度和擴展度，判斷是否均小于對比組的坍落度和擴展度。若小于對比組，進入下一步；否則，需要提高高性能減水劑的摻量[6]。

步驟5：將混凝土漿液裝入鋼筋網(wǎng)模具當中。

步驟6：利用振搗機振搗成型，并養(yǎng)護至規(guī)定齡期，并測試混凝土梁橋結構試件的抗壓強度，當滿足抗壓強度標準時，完成混凝土梁橋結構試件制備，并等待下一步受力性能測試。否則，需要重新進行制備[7]。

1.5 預應力加載制度

預應力是指預先施加的壓力，目的是測試其受力性能，保證正式投入使用后的整體結構性能。預應力加載制度則是指預應力隨著時間的推進而逐步施加的荷載數(shù)值[8]。具體如表3所示。

表3 預應力加載制度

直至加載到N級荷載，試件被破壞，停止應力加載。

1.6 受力性能測試

基于表3加載制度，在西南交通大學結構工程試驗中心測試應力增加下的試件受力性能。受力性能測試包括三個指標，即撓度、應變以及承載情況[9]。下面進行具體分析。

（1）撓度測試

撓度，即構件（如梁、柱、板等）受到外力時發(fā)生彎曲變形的程度。針對這一參量，采取的測量方法為撓度計法，該方法優(yōu)點是測試精度高，測試數(shù)據(jù)可靠，自動化采集數(shù)據(jù)[10]。該方法測試所需要的設備為BTS-58-C226旋臂撓度計，其包括三套帶夾具旋臂，三根20m銦鋼線，三個25×0.01mm百分表， 三個鉛錘和一個攜帶箱。撓度測量過程如下：

步驟1：將一個可伸縮的魚鉤固定在混凝土梁橋結構試件的下側。

步驟2：將帶孔的小盤用銦鋼線穿上系上結，將小盤掛在魚鉤上。

步驟3：將銦鋼線的另一端系上鉛錘，這樣就可使其接觸到被測物下的地面。

步驟4：將夾具裝在穩(wěn)定的金屬或其他適當?shù)財R置在地面上時較穩(wěn)的支持物上。

步驟5：將百分表的滑動桿插入配套的夾具內(nèi)并扭緊，這樣百分表就可處于垂直方向。

步驟6：取出帶隱蔽孔的方形棒，并將其通過隱孔固定在百分表滑動桿的上部，再取出另外一根帶明孔的方形棒，固定在滑動桿的下部。兩根棒子應相互平行[11]。

步驟7：取出銦鋼線，將其穿過兩根方型棒的內(nèi)部接點，將兩根方型棒的位置固定在各自的固定螺栓上，這樣，這兩根棒子就被緊緊地綁在銦鋼線上[12]。

步驟8：此時該系統(tǒng)已準備讀數(shù)，實際頂梁撓度會在移動百分表的滑動桿時得出撓度測量結果。

梁橋結構不同部位承受的預應力不同，所以撓度計算公式也不同，具體如下：

梁橋結構跨中撓度計算公式

梁橋結構跨兩端撓度計算公式

梁橋結構跨節(jié)點撓度計算公式

（2）應變測試

應變是指隨著應力的施加結構局部的相對變形情況，即形變量與原來尺寸的比值。針對這一參量，采取的測量方法為應變儀法，該方法優(yōu)點是測試穩(wěn)定，抗干擾能力強，可以實現(xiàn)遠距離測試[13]。該方法測試所需要的設備為若干個應變片和JHYC靜態(tài)應變儀。

應變測試具體過程如下：

步驟1：應變測點方案設計。

步驟2：將應變片粘貼到混凝土梁橋結構試件表面，并通過環(huán)氧樹脂進行脫落防護；

步驟3：按照表3，利用500t油壓千斤頂對試件試件施加應力，同時應變片采集數(shù)據(jù)。

步驟4：將應變片采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄軕儍x中，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

應變值隨著預應力的變化而變化，因此二者存在一定的映射關系。二者關系表達式如下：

由此得出應變計算公式：

其中，

受到溫度的影響，混凝土在長期應力作用下，其應變隨時間而持續(xù)增長的特性，因此在應變計算時，有時需要將徐變系數(shù)考慮在內(nèi)。計算公式如下：

由此對公式（7）進行修正，得到

（3）承載測試

承載測試包括裂縫觀測以及極限承載力測試。針對前者，對混凝土梁橋結構試件產(chǎn)生的裂縫在肉眼觀察的基礎上，可以通過裂縫放大鏡、裂縫對比板等儀器設備進行輔助觀察。針對后者，通過下述公式計算得出。

其中，

2 結果與分析

2.1 混凝土梁橋結構撓度分析

基于撓度測試流程對混凝土梁橋結構試件進行撓度值分析。結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，從開始加載到100t應力時該混凝土梁橋結構的撓度雖然在降低，但是降低量并不大，說明該時期橋梁剛度較大，抵抗變形能力較強，但隨著預應力的不斷增大，增大到220t時，應力與撓度仍大致呈線性關系，應力下?lián)隙热阅茌^大幅度恢復，但是在之后撓度開始大幅度降低，說明內(nèi)部結構嚴重損傷，試件已經(jīng)達到破壞階段，梁橋結構的撓曲變形已經(jīng)相當明顯。

2.2 混凝土梁橋結構應變分析

基于JHYC靜態(tài)應變儀，分析得出的預應力與混凝土梁橋結構應變之間的對應關系如表4所示。

表4 混凝土梁橋結構應變值

從表4中可以看出，應變值的變化大致可以劃分為三個階段，具體如下：

（1）20t～120t彈性階段：預應力與應變之間呈現(xiàn)正向直線關系，即隨著預應力增大，應變也在增大。

（2）120t～200t彈塑性階段：應力與應變之間的直線關系被破壞，說明開始出現(xiàn)屈服。如果卸載，試件的變形只能部分恢復。

（3）200t～260t破壞階段：隨著預應力增大，應變在大幅度降低，說明試件已經(jīng)完全變形，出現(xiàn)較大的裂縫或者斷裂，變形已經(jīng)無法恢復，進入該階段的混凝土梁橋結構已經(jīng)失去安全性。

2.3 承載測試

在不斷施加預應力過程中，混凝土梁橋結構試件在預應力達到200t時，出現(xiàn)很大的裂縫，肉眼可見，這時該混凝土梁橋結構已經(jīng)達到承載極限，無法繼續(xù)發(fā)揮其功能。

3 結束語

綜上所述，受到地形、地勢的影響，道路交通在建設過程中經(jīng)常遭遇阻礙，無法繼續(xù)下去，除了修建隧道解決凸起障礙外，橋梁的修建無疑是解決了峽谷、河流等凹陷區(qū)域的障礙，實現(xiàn)了交通道路的跨越。然而，本橋梁本身的架空性，使得其結構在經(jīng)過多年荷載作用后發(fā)生變形等問題。針對上述問題，進行預應力混凝土梁橋結構的受力分析具有重要的現(xiàn)實意義。在研究中，以津石高速津冀界至保石界六分部的橋梁項目為例，通過試驗分析，明確了其梁橋結構的受力特征，為該橋梁后期維護奠定了基礎。然而，本研究仍具有改進的地方，即僅進行了靜態(tài)預應力下的受力分析，未進行動態(tài)預應力下的受力分析，研究存在一定的局限性，因此有待進一步深入研究。