基于靜載試驗評價裂縫對鋼筋混凝土橋梁受力性能的影響

■　魏有恩（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路水運工程重點試驗室，福州　350004）

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基于靜載試驗評價裂縫對鋼筋混凝土橋梁受力性能的影響

■魏有恩1，2
（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路水運工程重點試驗室，福州350004）

摘要本文基于橋梁靜載試驗，采用有限元軟件建立結構分析模型，通過對鋼筋應變的監測，分析裂縫開展的最大寬度，評價裂縫對鋼筋混凝土橋梁的受力性能的影響。

關鍵詞橋梁荷載試驗有限元數值分析鋼筋應變裂縫開展

1　引言

橋梁靜載試驗是對新建橋梁交工驗收和已建橋梁運營時進行承載力的評定，檢測橋梁整體受力性能是否滿足設計和標準規范要求。對于新橋型、新材料、新設計理念的發展，橋梁靜載試驗仍是評定橋梁承載能力最直接和最有效的辦法。特別是當橋梁出現缺陷損傷時，橋梁靜載試驗為進一步深入評價帶缺陷工作的橋梁能否滿足通行荷載等級要求發揮著不可替代的作用。

某鋼筋混凝土橋梁在外觀檢查中發現梁底橫向裂縫且延伸至腹板，通過靜載試驗的實測結果與有限元理論計算結果進行對比，分析橋跨結構裂縫開展的最大寬度，評價裂縫對橋跨結構受力性能的影響。

2　工程概況

某高速互通D匝道橋，橋長174.50m，平曲線半徑R=80.00m。上部構造共3聯，試驗對象為該橋第二聯3×16m現澆鋼筋砼連續箱梁。橋面寬度為0.50m（防撞欄）+8.00m（行車道）+0.50m（防撞欄）。該橋橫截面為單箱雙室結構，梁高1.50m，翼緣板寬1.50m，梁底寬6.00m。下部結構采用柱式墩、肋板橋臺，鉆孔樁基礎?，F澆箱梁采用C40砼，橋墩身采用C35砼。設計荷載：公路-I級。橋梁總體立面見圖1，跨中截面見圖2。

圖1　某高速互通D匝道橋第二聯結構布置圖（單位：m）

圖2　跨中截面示意圖（單位：m）

經外觀檢查，該現澆箱梁第4跨梁體右側腹板，距4#墩8.20m處，1條豎向裂縫延伸并貫穿梁底至左腹板，右腹板豎向裂縫縫寬0.10mm，縫長0.60m，梁底橫向裂縫縫寬0.12mm，縫長0.75m，縫深45mm（梁底縱向鋼筋設計保護層厚度37mm），左腹板豎向裂縫縫寬0.10mm，縫長0.85m。

受業主委托驗收橋梁整體受力情況，對該聯進行靜載試驗，同時為分析裂縫的存在對橋梁整體受力性能的影響，對裂縫開展情況進行監測。為此，設置4個測試截面（圖3）：第4跨最大正彎矩截面（Ⅰ-Ⅰ）、第5跨跨中截面（Ⅱ-Ⅱ）、4#墩支點負彎矩截面（Ⅲ-Ⅲ）、第4跨橫向裂縫貫穿截面（Ⅳ-Ⅳ）。通過在試驗工況下各測試截面的應力應變反應及撓度響應，以及裂縫開展情況的監測結果，評價裂縫對橋梁的整體受力性能的影響。

圖3　試驗測試截面示意圖（單位：m）

第4跨橫向裂縫貫穿截面，需鑿除裂縫截面的保護層，在縱向主筋上布置鋼筋應變片，監測裂縫處的鋼筋應變。當混凝土截面出現貫穿裂縫的情況時，表面混凝土退出了參與受彎構件的受力，因此通過鋼筋應變來反應橋梁的整體受力性能和裂縫開展情況是較為準確的方法。

3　試驗分析

3.1有限元計算

采用大型有限元通用軟件Midas Civil建立該橋的空間有限元分析模型，梁體結構采用57個節點，48個單梁單元模擬，模型如圖4所示。由于該橋處于半徑R=80.00m平曲線上，模型建立成彎橋結構，根據角度調節各個支撐節點的局部坐標系。

圖4　某橋模型計算圖

3.2靜載試驗效率

根據計算所得到橋跨結構的設計活載內力包絡圖，靜力荷載試驗測試截面與加載效率如表1所示。

表1　靜力試驗荷載效率計算一覽表

4　試驗結果分析

4.1橋梁承載能力的評定方法

4.1.1校驗系數

校驗系數η是評定結構工作狀況，確定橋梁承載能力的一個重要指標，可以從中判定橋梁結構的承載能力的工作狀態。

實測結構校驗系數η是試驗的實測值與理論計算值的應力或撓度之比，它反映結構的實際工作狀態。

對于應力，則：

對于撓度，則：

η值越小說明結構的安全儲備越大，但η值不宜過大或過小，如η值過大說明組成結構的材料強度可能較低，結構各部分聯結性能較差，剛度較低等。η值過小可能說明組成結構材料的實際強度及彈性模量較大，梁橋的混凝土鋪裝及人行道等與主梁共同受力，支座摩擦力對結構受力的有利影響，以及計算理論或簡化的計算圖式偏于安全等等。另外，試驗加載物的稱量誤差、儀表的觀測誤差等對η值也有一定的影響。

4.1.2相對殘余變位（或應變）

殘余變位（或殘余應變）按下列公式計算：

總變位（或總應變）St＝Sl－Si

彈性變位（或彈性應變）Se＝Sl－Su

殘余變位（或殘余應變）Sp＝St－Se＝Su－Si

式中，Si——加載前測值；

Sl——加載達到穩定時測值；

Su——卸載后達到穩定時測值。

引入相對殘余變位（或應變）的概念描述結構整體或局部進入塑性工作狀態的程度。

相對殘余變位（或應變）按下式計算：

4.1.3裂縫

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004），箱形截面鋼筋混凝土受彎構件的最大裂縫寬度可按下列公式計算：

因此，通過裂縫截面的鋼筋應變可以獲得箱梁最大裂縫寬度值，用以評定橋梁的受力性能。

普通鋼筋混凝土構件允許出現裂縫。試驗荷載作用下裂縫寬度不應超過設計標準的許可值（見表2），并且卸載后應閉合到小于容許值的1/3。原有的其它裂縫（施工裂縫、收縮裂縫和溫度裂縫），受載后也不應超過標準容許寬度［2］。

表2　裂縫限值表

4.2撓度測試結果與分析

在試驗加載工況作用下，各控制截面的實測撓度及其與理論計算值的比較如表3所示。

表3　各控制截面撓度分析表

4.3應變測試結果與分析

在試驗加載工況作用下，各控制截面的實測應變及其與理論計算值的比較如表4所示。

4.4裂縫觀測結果

表4　各控制截面應變分析表

表5　裂縫截面鋼筋應變分析表

由表5可得，在工況1、2作用下，裂縫截面應變校驗系數均處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（1982年10月）規定的常值范圍（0.70～1.05）。根據鋼筋應變通過公式1計算得到的混凝土最大開裂寬度為0.22mm，小于《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21 -2011）規定的縫寬限值0.25mm，同時卸載后裂縫能夠閉合到小于容許值的1/ 3。

在各試驗工況荷載作用下，各測試截面附近均未觀測到新裂縫。

5　結論

（1）從表3、表4可知，第4跨、第5跨各測試截面測點在偏載工況下實測撓度、應變最大值小于考慮偏載系數1.15的理論值，該橋抗傾覆性能良好。

（2）各測試截面撓度、應變校驗系數均處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（1982年10月）規定的常值范圍（0.70～1.05），相對殘余撓度、應變最大值均小于《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（1982年10月）規定的20％，該橋整體受力性能良好。

（3）從表5可知，通過監測，結果顯示裂縫截面應變校驗系數均處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（1982年10月）規定的常值范圍（0.70～1.05）。通過換算得到的混凝土最大開裂寬度為0.22mm，小于《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）規定的縫寬限值0.25mm，同時卸載后裂縫能夠閉合到小于容許值的1/3，說明該裂縫對橋梁結構整體受力影響較小。

（4）建議及時對裂縫進行封閉處理，并采用黏貼預應力碳纖維布的方式對裂縫截面進行補強。

參考文獻

［1］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范（J）.北京：人民交通出版社，2004.

［2］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程（J）.北京：人民交通出版社，2011.