彎剪開裂后預應力混凝土梁承載能力試驗研究

劉 利，高 巖，梁志廣

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

彎剪開裂后預應力混凝土梁承載能力試驗研究

劉 利，高 巖，梁志廣

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

某預應力混凝土簡支箱梁橋在L/4跨徑處梁體腹板出現較多彎剪裂縫。本文基于荷載試驗及理論分析的方法對該橋進行狀態評估，對梁體腹板裂縫形態、數量及分布規律進行了統計分析;通過靜載試驗測試跨中正截面承載能力和斜截面開裂處鋼筋應力，通過動載試驗測試梁體腹板開裂后結構剛度，對開裂梁體的正截面及斜截面承載能力進行評估，并結合理論計算分析腹板斜截面裂縫產生的原因。研究表明：對于預應力混凝土簡支箱梁橋，在結構的正截面承載能力及結構剛度尚能滿足設計要求的情況下，不能排除斜截面承載能力不足，需要引起重視。

彎剪裂縫 簡支箱梁 荷載試驗

1 工程概述

某橋全長162.7 m，跨徑組合(3×20+30+3×20)m，橋面布置為0.25 m欄桿+1.0 m人行道+7.0 m行車道+1.0 m人行道+0.25 m欄桿。上部結構為20 m和30 m預應力簡支小箱梁，混凝土強度等級為C35，20 m，30 m 小箱梁梁高分別為1.0 m，1.6 m，每跨橫向由3片小箱梁組成，中心距為2.78 m，僅設端橫梁。上部結構的施工方法是采用先架設U型預制梁，然后鋪設預制板，再澆筑整體化層，形成橋面及上部結構整體。下部結構采用重力式橋臺、雙柱式橋墩。橋面鋪裝采用現澆C35混凝土(5.0～8.5 cm)+瀝青混凝土(3 cm)。設計荷載標準為汽20，掛100;設計通行速度為30 km/h，橋梁布置見圖1～圖2。

圖1 橋梁平立面布置示意(單位：cm)

圖2 30 m(20 m)梁橫斷面(單位：cm)

2 裂縫概況

檢查發現，20 m梁梁體腹板在橋跨L/10～L/3范圍、30 m梁梁體腹板在橋跨L/4附近均出現較寬腹裂縫。從裂縫分布情況看(圖3)，20 m梁裂縫明顯多于30 m梁;各跨中梁裂縫數量均比邊梁多;1跨～3跨裂縫數量較5跨～7跨多。裂縫呈中間寬兩頭細，裂縫與梁軸線的夾角在35°～42°之間，裂縫最大寬度0.4 mm，裂縫處混凝土有壓碎啃邊現象，見圖4～圖5。

圖3 全橋裂縫數量統計

圖4 梁體腹板典型裂縫

圖5 第一跨中梁裂縫展開(裂縫寬度單位：mm)

3 荷載試驗

為了解梁體的實際工作狀態，判斷該梁體彎剪開裂后實際承載能力是否滿足原設計荷載要求，通過荷載試驗評定本橋的工作狀況。

3.1 荷載試驗內容

本橋橋跨均為簡支跨，結合結構受力特點及梁體腹板開裂現狀，本次試驗主要內容為：①裂縫較多的第3跨梁體跨中截面的應變分布、中性軸高度和整體剛度，評判梁體正截面承載能力是否滿足規范要求(圖6);②各跨梁體自振頻率，評判全橋自身動力特性;③為了測試腹板開裂處鋼筋應力幅值，評判斜截面承載能力是否滿足規范要求，選取腹板斜裂縫最多的第2跨中梁進行測試(圖7)。

圖6 第3跨跨中截面測點布置示意

圖7 20 m跨2#梁裂縫測點布置

3.2 試驗結果評判

1)正截面(跨中)試驗結果表明：20 m和30 m梁跨中截面的各項試驗指標正常，跨中截面的抗裂性及承載能力尚能夠滿足原設計荷載的要求，見圖8和圖9。

2)斜裂縫試驗結果表明，受彎矩影響較小的跨裂縫測點(距中性軸較近的1#、5#及8#測點)處裂縫擴展與截面所受剪力基本線性相關(圖10)。裂縫處實測最大應變已達479×10-6，試驗時加載車單輛的平均重量為286.4 kN，而設計荷載重車為300 kN并需考慮1.3的沖擊，由此推算設計荷載作用下的應變應該達到652×10-6，也即在設計荷載作用下斜裂縫的擴展可以達到0.10 mm，由于此時拉應力全部由箍筋及彎起鋼筋承受，對應斜裂縫處的鋼筋的活載應力幅將達到130 MPa。

3)動載試驗結果表明，20 m跨實測自振頻率均高于理論頻率4.997 Hz，說明20 m跨實際剛度高于理論剛度，第1跨～3跨自振頻率接近，為6.01，6.03，5.98 Hz，而第5 跨 ～7 跨略高為 6.18，6.21，6.23 Hz，這一測試結果與裂縫的實際分布情況相符(第1跨～3跨梁端斜向裂縫較5跨～7跨梁端斜向裂縫開裂明顯嚴重)。這一現象說明，雖然20 m跨實測頻率仍高于理論頻率，梁體的開裂已經造成結構剛度的下降。30 m跨實測自振頻率4.460 Hz高于理論頻率3.591 Hz，說明30 m跨實際剛度高于理論剛度。

圖8 第3跨2#梁撓度—荷載效率曲線

圖9 第4跨2#梁應變—荷載效率曲線

圖10 裂縫寬度擴展與腹板試驗剪力相關性對比

4 病害原因分析

選取本橋20 m跨中梁計算距梁端4 m斜截面(腹板開裂處)抗剪承載能力。根據預應力混凝土受彎構件斜截面承載能力計算公式：γ0Vd≤Vcs+Vsb+Vpd(其中，γ0為橋梁結構的重要性系數;Vd為斜截面受壓端由作用效應所產生的最大剪力組合設計值;Vcs為斜截面內混凝土和箍筋共同的抗剪承載力設計值;Vsb為與斜截面相交的普通彎起鋼筋抗剪承載力設計值;Vpd為與斜截面相交的預應力彎起鋼筋抗剪承載力設計值)，計算可得20 m跨中梁的斜截面抗剪承載能力為536.83 kN。在掛100荷載作用下，斜截面剪力組合值達到527.02 kN，雖然小于斜截面抗剪承載能力，但安全儲備值已較小，當有超載重車通過時，橋梁存在較大的安全隱患。

5 結論

通過本橋的承載能力評估工作可以看出，在結構的正截面承載能力及結構剛度尚能滿足設計要求的情況下，并不排除斜截面承載能力不足的問題。對于本橋，由于斜截面抗剪承載能力儲備值較小，腹板出現開裂后，斜截面處承剪混凝土已經退出工作，即使在設計荷載作用下，斜截面箍筋鋼筋應力幅值也偏大，結構存在較大的安全隱患。

［1］高巖，鄭杉.預應力混凝土梁橋的加固評判實例［J］.鐵道建筑，2000(8)：10-12.

［2］馬耕，李子春，柯在田.某高速公路預應力混凝土梁橋的檢測評估［J］.鐵道建筑，2008(10)：25-28.

［3］中華人民共和國交通部.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］中華人民共和國交通部.JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］中華人民共和國交通部.JTG/T H21—2011 公路橋梁技術狀況評定標準［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］交通部公路科學研究所，交通部公路局技術處.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［M］.北京：人民交通出版社，1982.

U446.3

A

1003-1995(2012)06-0013-03

2012-02-20;

2012-02-25

劉利(1987— )，男，四川仁壽人，碩士研究生。

(責任審編 王 紅)