既有鋼筋混凝土裝配式空心板梁實驗測試分析

劉 苗

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

1 結構簡介

1.1 工程概況

跨度為13.0 m裝配式普通鋼筋混凝土簡支空心板梁橋，橋梁全寬12 m，車行道凈寬11 m，兩側安全帶各寬0.50 m。

橫截面由七片寬124 cm（中板）和兩片寬166 cm（邊板）的單孔預制空心板通過約20 cm的縱向混凝土鉸縫粘接而成，預制空心板高60 cm。橋面設2%雙面排水坡。

橋面鋪裝層為10 cm厚防水混凝土和5 cm厚瀝青混凝土。

1.2 主要材料

預制梁：40號混凝土；

受力鋼筋：Ⅱ級螺紋鋼筋；

構造鋼筋：Ⅰ級光面鋼筋。

1.3 存在的工程問題

在工程建設單位組織的質量大檢查中，發現該小橋工點存在如下問題：盡管混凝土試塊強度滿足要求，但預制鋼筋混凝土梁的混凝土回彈值偏低，且由此推算的梁體混凝土強度不符合設計要求，因此，對預制鋼筋混凝土梁的整體混凝土強度存在懷疑。

2 試驗目的

為確保工程施工質量、同時也減少不必要的經濟損失，受施工單位委托，在成品預應力鋼筋混凝土空心板梁中隨機抽取一片板梁進行靜荷載試驗，檢測與分析受檢預應力鋼筋混凝土空心板梁的受力、變形、裂紋開展與分布特性。

通過靜荷載試驗，達到如下的工程檢測目的：

（1）檢測鑒定預制板梁的實際承載能力和正常使用性能；

（2）評價預制混凝土板梁的總體施工質量；

（3）推測該批預制板梁的承載能力及正常使用性能。

3 試驗檢測方案

3.1 試驗梁的選擇

根據對現場預制鋼筋混凝土成品板梁的外觀檢測，挑選外觀質量最差的一片板梁進行試驗檢測、分析與評估。

3.2 試驗理論依據

梁式橋為受彎結構，在結構自重與設計荷載作用下，橋跨結構主要承受彎矩，同時因橫力彎曲而承受剪力。簡支梁的最大彎矩出現在各跨跨中區域（正彎矩），簡支梁的最不利受剪區域約在各支點處1/4范圍內。

預制板梁組成的橋跨結構為簡支結構，因而其在成橋狀態下的受力模型是簡支梁模型。由于成橋狀態下預制板梁僅為橋跨結構的一個受力單元，各受力單元間通過鉸縫聯結而協同受力，因而在成橋狀態下預制板梁單元的受力與單片簡支板梁的受力方式存在明顯差異—板梁構件與橋跨結構的板梁單元受載邊界約束條件不同。

為了檢測評價橋梁預制構件在使用荷載作用下的使用性能及實際承載能力，只須對其施加等效試驗荷載（使預制構件產生的理論荷載效應與其作為橋跨結構板梁單元、在設計荷載作用下產生的理論荷載效應相同），通過觀測板梁預制構件在等效試驗荷載作用下的結構實際荷載反應，推斷其作為橋跨結構受力單元的結構表現，評價其實際承載能力。

3.3 試驗荷載的確定

根據試驗相似理論和結構檢測的目的，采用載荷（結構控制內力）等效的原則確定試驗荷載。通過分析計算作為橋跨結構受力單元的板梁構件在各種荷載因素作用下的截面內力，按照內力等效的原則，確定受檢試驗梁所需施加的等效試驗荷載量值。

3.4 結構試驗與分析方法

對受檢預制混凝土板梁進行分級加載，觀測與記錄在各級試驗荷載作用下受載板梁四分點與跨中截面的應力、支點及跨中點的變形和梁體的裂紋狀態。

根據現行橋梁設計規范、橋梁設計的相關理論，對試驗測試結果進行理論分析與評價，進而評估結構總體施工質量，推測混凝土梁的實際承載能力和使用耐久性。

通過對試驗梁體應力、撓度及開裂狀態分析，判斷鋼筋混凝土梁的荷載表現。

監測梁體結構應變和位移的測點布置位置見圖1。

圖1 梁體各截面位移、應變測點圖

3.5 試驗荷載的確定

（1）成橋狀態下預制板梁跨中最大荷載彎矩值

根據試驗相似理論和結構檢測的目的，采用載荷（結構控制內力）等效的原則確定試驗荷載。通過分析計算作為橋跨結構受力單元的板梁構件在各種荷載因素作用下的截面內力，按照內力等效的原則，確定受檢試驗梁所需施加的等效試驗荷載量值。

一般，橋跨結構承受的荷載分為：一期恒載（橋梁自重）、二期恒載（水泥調平層、橋面鋪裝、欄桿等）、活載（汽車、平板掛車）、其它荷載（支座沉降、溫度、混凝土徐變）。

因橋跨結構為簡支受力結構，所以，在成橋狀態下結構承受的荷載為：一期恒載（橋梁自重）、二期恒載（水泥調平層、橋面鋪裝、欄桿等）及活載（汽車、平板掛車）三類荷載。

對受檢預制板梁采用與成橋狀態完全相同的支撐跨徑，則受測試驗板梁所需施加的試驗荷載應與成橋狀態下該試驗板梁承擔的二期恒載（水泥調平層、橋面鋪裝、欄桿等）效應+活載（汽車、平板掛車）效應等效。

根據橋梁設計理論，在成橋狀態下板梁跨中截面承受的二期恒載和活載（汽車、平板掛車）彎矩效應計算值見表1。

表1 在成橋狀態下板梁跨中截面彎矩設計值（單位：kN·m）

（2）試驗等效荷載

預制板梁的試驗狀態為簡支狀態，因采用與橋跨相同的支撐跨徑，因此，板梁自重荷載效應已經作用在試驗梁體上，所以試驗梁還需施加的荷載應與二期恒載及車輛荷載在板梁跨中產生的彎矩等效。

二期恒載+車輛荷載的等效彎矩為：

試驗梁支撐跨徑為19.3 m，根據現場試驗條件，采用在跨中5.5 m的范圍內進行堆載的方式進行預制板梁的荷載試驗，則試驗荷載總值為：

式中:a—— 跨中勻布荷載的分布長度，單位m；

G——試驗荷載總量，單位kN;

MJ——與試驗狀態相比，成橋狀態下板梁跨中彎矩增加幅值,單位kN·m;

L支——試驗梁實際支撐跨徑，單位m；

ηq——試驗效率系數，0.80≤ηq≤1.05。

根據上述計算公式，確定所需試驗荷載總量G。

4 試驗實施過程

4.1 梁體的支撐

在預制臺座上分別用四個橡膠板支座和兩根寬約20 cm、厚約6 cm的方木支撐試驗梁兩端，兩支點的中心距離11 000 mm，見圖2。

圖2 試驗加載及測點布置示意圖

4.2 試驗實施與荷載總值

根據現場的實際條件，采用堆載方式進行加載，堆載物為50 kg的袋裝水泥，為保證在跨中550 cm的范圍內順利堆放水泥，在梁頂橫向放置一排方木。

試驗梁分五級加載：

第1級荷載總荷載值為G1=36.0 kN

第2級荷載總荷載值為G2=99.0 kN

第3級荷載總荷載值為G3=130.5 kN

第4級荷載總荷載值為G4=162.0 kN

第5級荷載總荷載值為G5=184.5 kN

第6級荷載總荷載值為G6=193.5 kN

按照前述公式，荷載總重量為G6=193.5 kN時，計算的荷載效率系數ηq為1.055，滿足規范要求。

每級荷載施加后靜置5～10 min，待變形穩定后量測梁體應變與變形，并觀測裂紋。

5 測試結果及分析

5.1 結構撓度的實測值、計算值與分析

根據各級荷載下測點位移的記錄值求出了相應的跨中撓度值，同時按照規范計算了各級荷載下跨中理論撓度值（彈性模量取3.3×104MPa計算）。

從各級荷載作用下跨中撓度實測值與計算值的比較不難發現：除第一級荷載外，實測撓度與計算理論撓度比值ηw（結構位移校驗系數）值多在0.6～0.8之間。

由有關文獻查得的無缺陷預應力鋼筋混凝土梁的結構位移校驗系數一般在0.70～1.0之間，可見，試驗梁的變形特性正常，梁體混凝土的整體強度達到了設計要求。

在最大試驗荷載作用下，跨中撓度實測值fs=5.09 mm，根據規范第4.2.3條的規定，最大豎向撓度允許值為[ f]=18.3[ f]=Lp/600=11 000/600 mm，可見 fs≤[ f]。

撓度檢測結果表明：混凝土梁整體變形性能優良，滿足規范對結構撓度的要求。

5.2 結構應力的實測值、計算值與分析

根據各級荷載下測點應變的記錄值求出了相應測點在各加載時刻的應力值（因堆載產生的測點應力值，40號混凝土彈性模量取E=3.3×104MPa），同時按照結構設計原理的平截面假定計算了各級荷載階段相應測點的理論應力值，在計算出中性軸位置后，按照材料力學彎曲應力理論計算測點應力值。

對各級荷載作用下測點應力的實測值與理論應力計算值的對比分析發現：測點的實測值與計算值吻合良好；但在某些工況下某些測點的實測值與計算值差異較大；實測值對稱性較好。

上述現象說明試驗梁的結構對稱性較好，同時表明布片的對稱性也控制較好，另外堆載對稱性良好。可以認為測試結果在總體上是有效的，應力的測試值與分析值基本反應了試驗梁的應力狀態。

各級荷載作用下測點應力的實測值與計算值的比較不難發現：混凝土的實測應力遠低于理論計算應力，兩者間的差異來自于理論計算的簡化假定—非彈性體的彈性體簡化。混凝土的實測應力與計算應力的平均比值ησ（結構應力校驗系數）為0.77，個別ησ值超過了0.90，正常預應力鋼筋混凝土板梁的應力校驗系數一般在0.60～0.90之間。考察測試結果發現，ησ值超限的測點有兩類：受拉區測點，可能應變片長度范圍內發生了混凝土開裂；受壓區測點，可能應變片出現異常，為無效測點。

5.3 結構裂紋觀測與分析

在所有各級試驗荷載作用下，試驗梁均未發現有裂紋產生。

5.4 混凝土梁回彈強度測量與分析

本次試驗過程中還測量了混凝土梁六個測區的回彈強度，六個測區中有五個測區回彈強度值在40 MP左右，有一個測區回彈強度值偏低，主要由于該測區表面粗糙、凹凸不平以及測量誤差所引起。

測試結果表明：混凝土回彈強度值總體上滿足強度要求。

6 鑒定結論

通過對預制普通鋼筋混凝土空心板梁的檢測試驗與理論分析，得出如下檢測鑒定技術結論：

（1）試驗梁工作性能正常；

（2）試驗梁的受力性能、變形性能均符合設計要求；

（3）預制混凝土梁的實際承載能力滿足設計荷載對橋跨結構承載能力的要求；

（4）橋跨結構的變形性能良好、試驗最大荷載作用下無裂紋產生，預制板梁的正常使用性能符合設計要求；

（5）梁體混凝土回彈強度總體符合設計要求。

抽檢結果表明：該預應力鋼筋混凝土空心板梁質量合格，可以在橋梁工程中正常使用，建議進行后續結構施工。