非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制梁靜載試驗(yàn)分析

蘇炳灶

（福建省中孚檢測(cè)技術(shù)有限公司，福建 漳州 363000）

0 引言

預(yù)制構(gòu)件是隨著工業(yè)化的生產(chǎn)方式發(fā)展起來(lái)的,具有建造速度快、質(zhì)量高、綠色環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但如何保證預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量，多大的荷載會(huì)導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件達(dá)到極限承載能力，理論計(jì)算的數(shù)據(jù)與實(shí)際使用中的極限承載能力是否相符，還是需要通過對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行荷載試驗(yàn)予以分析。本文通過實(shí)例介紹了非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制梁靜載試驗(yàn)操作方法及過程，并通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)推出試驗(yàn)結(jié)論。

1 試驗(yàn)預(yù)制梁的選取

本次選取一根非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制梁進(jìn)行試驗(yàn)，該預(yù)制梁為某人行道板下的支撐構(gòu)件預(yù)制梁中的一根。預(yù)制梁長(zhǎng)寬高分別為：1455mm×240mm×250mm，經(jīng)過檢測(cè)，該預(yù)制梁縱筋為4B10，箍筋為Ф6@200，預(yù)制梁的混凝土等級(jí)通過現(xiàn)場(chǎng)回彈推定為C25。

2 試驗(yàn)內(nèi)容和荷載加載控制值

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204-2015）附錄B 的要求，進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)的各項(xiàng)性能檢驗(yàn)，即對(duì)承載力、撓度和裂縫寬度進(jìn)行檢驗(yàn)，另外在梁表面測(cè)試加載過程中開裂前的彈性階段應(yīng)變。

人行道人行活荷載標(biāo)準(zhǔn)值3kN/m2,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，預(yù)制梁間距3.3m，該預(yù)制梁承受活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取10kN/m，該預(yù)制梁承受恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值（含梁和鋪裝層自重）取10kN/m。加荷裝置見圖1，兩支座中心點(diǎn)距離L0為1.350m。在梁的跨中和兩個(gè)支座處各放置一塊百分表以量測(cè)位移計(jì)算跨中撓度。在梁的側(cè)面粘貼應(yīng)變片。

圖1 試驗(yàn)裝置及應(yīng)變片布置示意圖

承載力加載值的計(jì)算采用簡(jiǎn)支梁跨中彎矩相等的原則確定等效千斤頂加載值；使用性加載值的計(jì)算采用簡(jiǎn)支梁跨中撓度相等的原則確定等效千斤頂加載值。

撓度和裂縫寬度試驗(yàn)荷載的加載值（考慮梁自重和加荷設(shè)備重量，采用準(zhǔn)永久組合）P2=15kN。

承載力加載設(shè)計(jì)值（考慮梁自重和加荷設(shè)備重量，采用基本組合）為：P千基=20kN；

承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載的最大加載值（承載力加載設(shè)計(jì)值乘以檢驗(yàn)系數(shù)允許最大值）為：P1=31kN；

承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載為承載力加載設(shè)計(jì)值與檢驗(yàn)系數(shù)允許值的乘積，承載力檢驗(yàn)系數(shù)允許值見《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204-2015）表B.1.1.

2.2 試驗(yàn)荷載的加載值

按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204-2015）B.2.5 條進(jìn)行分級(jí)加載，計(jì)算出各控制荷載，即標(biāo)準(zhǔn)荷載、開裂（抗裂）荷載、承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載。按該標(biāo)準(zhǔn)（GB 50204-2015）9.2.2 條規(guī)定，對(duì)普通鋼筋混凝土裂縫寬度進(jìn)行檢驗(yàn)，不做抗裂試驗(yàn)，故本次試驗(yàn)分級(jí)加載中，不考慮開裂（抗裂）荷載，標(biāo)準(zhǔn)荷載、承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載作為本次試驗(yàn)的分級(jí)控制荷載。標(biāo)準(zhǔn)荷載用于預(yù)制梁撓度和裂縫寬度的檢驗(yàn)荷載，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）3.4.3，3.4.4 條要求，普通鋼筋混凝土受彎構(gòu)件撓度和裂縫計(jì)算荷載均采用準(zhǔn)永久組合；承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載用于檢驗(yàn)預(yù)制梁的承載能力，承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）計(jì)算荷載采用基本組合乘以承載力檢驗(yàn)系數(shù)允許值。

2.3 承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載的最大加載值的計(jì)算

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012），承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載計(jì)算中，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，分項(xiàng)系數(shù)取恒荷載1.2，活荷載1.4，承載力極限狀態(tài)荷載設(shè)計(jì)值為Q設(shè)=1.0×（10.0×1.2+10.0×1.4）=26.0kN/m。按跨中彎矩等效原則，且依據(jù)試驗(yàn)裝置示意圖（見圖1 所示）中的加荷裝置，應(yīng)考慮構(gòu)件自重的修正。加荷裝置是梁底部千斤頂，不參與修正。

依據(jù)圖1加荷裝置，按跨中彎矩等效原則，千斤頂加載試驗(yàn)承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)值采用基本組合為：

承載力檢驗(yàn)系數(shù)(也稱加載系數(shù))取《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204-2015）表B.1.1 承載力檢驗(yàn)系數(shù)最大值1.55，P1=P千基×加載系數(shù)=20×1.55=31kN；P1為承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載的最大加載值。

2.4 使用性（撓度和裂縫寬度）試驗(yàn)荷載的加載值計(jì)算

撓度和裂縫寬度檢驗(yàn)荷載采用準(zhǔn)永久組合，并按上述原理等效和修正，簡(jiǎn)支梁跨中撓度均布荷載作用下，撓度Y均=5ql4/(384EI)，集中力作用下?lián)隙萗集=pl3/（48EI），EI為剛度，考慮裂縫和材料的勻質(zhì)性按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）7.2節(jié)的方法修正。按撓度等效原理，p=ql/1.6。P2=（q準(zhǔn)xL0）/1.6+G預(yù)制梁=(10+10×0.5)×1.350/1.6+1.455×0.24×0.25×25=15kN。P2為撓度和裂縫寬度試驗(yàn)荷載的加載值。

3 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作和試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

（1）將試件表面（支座安裝側(cè)的梁面、梁兩側(cè)面）刷白并繪制方格，有利于在試驗(yàn)過程中觀察、描繪裂縫及準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)現(xiàn)象；

（2）量測(cè)預(yù)制梁的實(shí)際尺寸和變形情況；

（3）混凝土強(qiáng)度回彈檢測(cè)；

（4）預(yù)制梁縱筋直徑和根數(shù)檢測(cè),箍筋直徑和間距檢測(cè)；

（5）按試驗(yàn)裝置示意圖（見圖1所示）安裝支座和H型鋼墊塊；

（6）熟悉加荷設(shè)備的操作方法；

（7）百分表兩端支座各設(shè)一個(gè)，梁中心一個(gè)；

（8）人員分工：加載操作和記錄，裂縫觀察和記錄，撓度記錄。

3.2 試驗(yàn)過程

（1）相關(guān)工作人員到位，預(yù)制梁和加載設(shè)施按圖1放置；

（2）使用千斤頂分16級(jí)加載，加載初期，荷載小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，每級(jí)加載量不大于標(biāo)準(zhǔn)值的20%；當(dāng)荷載大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，預(yù)制梁可能隨時(shí)開裂，每級(jí)荷載不大于標(biāo)準(zhǔn)值的10%；接近承載力檢驗(yàn)值時(shí)，預(yù)制梁可能隨時(shí)出現(xiàn)承載力的標(biāo)志值,每級(jí)荷載不大于設(shè)計(jì)值的5%。荷載分級(jí)中，包含標(biāo)準(zhǔn)荷載值，承載力標(biāo)志（檢驗(yàn)）荷載值。

（3）為了反映混凝土材料的塑性特征，每級(jí)加載完成后持續(xù)10～15min；在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下持續(xù)30min。在持續(xù)時(shí)間內(nèi)，觀察裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，以及鋼筋有無(wú)滑移等情況；在持續(xù)時(shí)間結(jié)束時(shí)，觀察并記錄各項(xiàng)讀數(shù)。

（4）加載至預(yù)制構(gòu)件出現(xiàn)規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204-2015）表B.1.1 所列承載能力極限狀態(tài)的檢驗(yàn)標(biāo)志之一后結(jié)束試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

該梁無(wú)明顯外觀缺陷，外觀尺寸與設(shè)計(jì)基本相符。試驗(yàn)過程中的加荷等級(jí)、加載值、應(yīng)變和裂縫、撓度見表1～表3所示。該梁正常使用極限狀態(tài)下準(zhǔn)永久組合荷載設(shè)計(jì)加載值為15kN。該梁承載力極限狀態(tài)基本組合試驗(yàn)荷載加載設(shè)計(jì)值為20kN，按出現(xiàn)承載力標(biāo)志的最大加載系數(shù)1.55作為臨界控制荷載，其值為31kN。

表1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)（單位：με）

從表2 可以看出，當(dāng)加載至荷載準(zhǔn)永久組合設(shè)計(jì)加載值15kN 時(shí)，該梁開始出現(xiàn)裂縫，梁側(cè)裂縫寬度為0.05mm，梁頂裂縫寬度為0.05mm，在荷載準(zhǔn)永久組合設(shè)計(jì)加載值15kN 作用下，相關(guān)規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度允許值為0.15mm 的（環(huán)境類別按二a 類考慮）,正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度檢驗(yàn)合格。后續(xù)繼續(xù)加載時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載至26kN 時(shí)，開始出現(xiàn)承載力標(biāo)志，梁側(cè)裂縫寬度為1.48mm，梁頂裂縫寬度為1.50mm，此時(shí)加載系數(shù)為1.30，大于規(guī)范規(guī)定的1.20 的要求，承載力檢驗(yàn)合格。

從表3 可以看出，在荷載準(zhǔn)永久組合設(shè)計(jì)加載值15kN 作用下，跨中撓度為0.43mm，考慮荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)組合對(duì)撓度的增大系數(shù)1.6，修正后的撓度值為0.688mm。相關(guān)規(guī)范規(guī)定的撓度限值為跨徑1/600，即2.25mm，撓度檢驗(yàn)合格。

5 理論計(jì)算

預(yù)制梁按兩端鉸接的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算，截面尺寸及內(nèi)部配筋情況按照實(shí)際情況，簡(jiǎn)支梁按設(shè)計(jì)的均布荷載施加于梁面上，受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊緣距離as取35mm，計(jì)算跨度l0=1350mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C25，縱向受拉鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=300MPa，縱向受拉鋼筋面積As=157.00mm2，縱向受壓鋼筋面積As'=157mm2,梁縱向受拉鋼筋等效直徑deq=10mm，鋼筋保護(hù)層厚度c取25mm；查《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可得混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=1.78MPa，縱向受拉鋼筋彈性模量Es=200000MPa，混凝土彈性模量Ec=27870.68MPa。

5.1 裂縫計(jì)算

按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率ρte=As/Ate=157.00/30000=0.0052,ρte＜0.01,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.1.2條，取ρte=0.01。

縱向受拉鋼筋應(yīng)力σsq=Mq/0.87/h0/As=3420000/0.87/215/157.00=126.67MPa

受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ=1.1-0.65ftk/ρte/σsq=1.1-0.65×1.78/0.0100/126.67=0.19,ψ＜0.2,按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.1.2條，取ψ=0.2。

查《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表7.1.2-1 可得構(gòu)件受力特征系數(shù)αcr=1.9

5.2 撓度計(jì)算

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)和理論計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該梁在正常使用極限狀態(tài)的撓度和裂縫寬度檢驗(yàn)合格,在出現(xiàn)承載力標(biāo)志時(shí)的加載系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的承載力檢驗(yàn)系數(shù)允許值，該梁的靜載性能檢驗(yàn)合格。

（2）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載至荷載準(zhǔn)永久組合加載值15kN 時(shí)，該梁出現(xiàn)的裂縫寬度為0.05mm，理論計(jì)算的裂縫寬度為0.03mm；跨中撓度為0.43mm，考慮荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)影響的撓度為0.688mm，理論計(jì)算的撓度為0.437mm。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，靜載試驗(yàn)與現(xiàn)行規(guī)范中的理論計(jì)算值差異不大。