既有預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力原位試驗(yàn)研究

黃 穎

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是依靠張拉力筋建立具有內(nèi)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，其原理造成了其特殊性以及與普通鋼筋混凝土在設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)方面上的區(qū)別。預(yù)應(yīng)力筋是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部件，其有效或失效直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全、適用與耐久性。隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)大量地應(yīng)用于工程實(shí)踐及對其認(rèn)識地不斷深入，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的諸多缺陷和不足逐步被發(fā)現(xiàn)［1］。工程實(shí)踐表明，由于預(yù)應(yīng)力筋的嚴(yán)重?fù)p壞而引起的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是不可挽救的［2］。

對預(yù)應(yīng)力筋有效性的評價(jià)，傳統(tǒng)方法大多是基于新澆筑梁體的試驗(yàn)來進(jìn)行理論分析［3-4］，但是新澆筑梁體無法體現(xiàn)已服役幾十年梁體的實(shí)際情況，分析結(jié)果存在一定的偏差。另一方面，少數(shù)的以既有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)作為研究對象的文獻(xiàn)，其分析局限于理論研究階段，如侯天宇等建立了在役橋梁安全性評估模型、裂縫演化分析模型和變形演化分析模型，從理論層面對長期服役的橋梁進(jìn)行了可靠性分析［5-10］。現(xiàn)有的研究大都是利用有限元手段實(shí)現(xiàn)橋梁極限承載力的評估［11-13］，而對既有預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋現(xiàn)場原位試驗(yàn)開展得較少。

鑒于此，對某座已經(jīng)服役20年的既有預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋進(jìn)行原位靜載試驗(yàn)，逐級加載直至橋梁開裂破壞，得到主梁撓度及應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)的對比分析，獲得既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力。通過原位試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的評估，對類似橋梁的判斷加固、拆除有重要的借鑒意義。

1 工程背景介紹

福州市鰲峰閩江大橋已建成通車20年，為適應(yīng)當(dāng)前交通的需求，將對其北引橋進(jìn)行改造，包括對北向東側(cè)的引橋進(jìn)行拆除并另建。擬拆除的原D 匝道橋的上部結(jié)構(gòu)采用19 m×16 m 的多跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩配樁基，如圖1 所示。

圖1 工程總平面布置圖(單位:cm)

從圖1 可知，橋梁呈南北方向，橋主體長度306.8 m，寬度8.75 m，匝道橋共計(jì)19 孔，第1 ～5 孔為直線孔，第6 孔為直彎孔，第7 ～19 孔為彎曲孔，荷載等級為汽車-超20 級、掛車-120 級、人群荷載4 kN/m2。橋面總寬度為8.75 m。

橋面橫向斷面布置如圖2 所示。具體尺寸為:0.75 m防撞欄、7.50 m 行車道、0.50 m 防撞欄。主梁為5 孔整體空心板截面，混凝土等級為50 標(biāo)號，梁高0.9 m。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(1-1 斷面，單位:cm)

為研究橋梁的受力性能、實(shí)際承載能力及現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的大小，對該橋進(jìn)行現(xiàn)場原位試驗(yàn)。

2 原位試驗(yàn)方案

2.1 測試斷面及測點(diǎn)布置

為了獲得主梁各關(guān)鍵截面在逐級加載作用下的撓度及應(yīng)變，對各截面進(jìn)行撓度及應(yīng)變測試斷面布置。主梁在試驗(yàn)荷載作用下的撓度測試斷面布置及應(yīng)變測試斷面布置如圖3 所示。

圖3 主梁測試斷面

梁體撓度測量:在關(guān)鍵截面的梁體東西兩側(cè)面分別黏貼鋼尺作為水準(zhǔn)測點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高差觀測來獲得各個(gè)工況下截面撓度變化值，同時(shí)在同一位置黏貼反光片，利用全站儀來觀測高差，兩種方法互為補(bǔ)充和驗(yàn)證，使獲得的撓度更加精確有效。

梁體應(yīng)變測量:分別在跨中截面梁底和支座截面梁頂黏貼應(yīng)變片，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得各工況下的應(yīng)變值，采用規(guī)格為50 mm × 3 mm 電阻應(yīng)變片，型號為BX120-50AA，靈敏系數(shù)為2.08 ±1%。

主梁各測試截面的撓度測點(diǎn)布置于東西兩側(cè);橋梁測試斷面達(dá)到8.75 m，在測試斷面處均勻布置6 個(gè)測點(diǎn)，主梁各測試截面的撓度測點(diǎn)和應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4 主梁橫截面測點(diǎn)示意圖

2.2 試驗(yàn)荷載及工況設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)，以研究橋梁在正常使用階段的結(jié)構(gòu)性能。根據(jù)原設(shè)計(jì)規(guī)范，首先確定橋的設(shè)計(jì)荷載等級為汽車-超20 級、掛車-120 級時(shí)的控制截面設(shè)計(jì)最大彎矩值，以此作為試驗(yàn)荷載加載量的控制依據(jù)，再進(jìn)行橋梁的原位加載試驗(yàn)，逐級增加荷載，直至受拉區(qū)混凝土開裂或橋梁破損。

根據(jù)三跨連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，試驗(yàn)所選取的荷載加載控制截面有兩種:①1#內(nèi)支座負(fù)彎矩截面不利布置;②0#～1#邊跨跨中最大正彎矩不利布置。針對這兩種加載方式，試驗(yàn)過程中均采用分級加載方式進(jìn)行。

荷載逐級增大的過程中，對橋梁結(jié)構(gòu)正常使用階段、設(shè)計(jì)荷載下、混凝土開裂、結(jié)構(gòu)破壞的全過程進(jìn)行觀測與分析。

根據(jù)計(jì)算分析，將試驗(yàn)荷載共分為13 個(gè)工況來進(jìn)行，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。各工況下的現(xiàn)場實(shí)際布置情況如圖5 所示。從圖5 可知，工況1 ～5:將60 t 的吊車直接作為配重量布置在0#～1#邊跨，利用吊車對1# ～2#中跨逐級加載混凝土配重塊，獲得梁體在正常使用階段的變形及截面混凝土應(yīng)變情況;工況6: 卸載0# ～1#邊跨配置來考察梁體在彈性階段卸載后的恢復(fù)能力;工況7 ～13:對邊跨持續(xù)加載，直到測試截面混凝土開裂。

圖5 工況1 ～13 的加載示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

對于破壞性試驗(yàn)，建立一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸、自動采集和監(jiān)測是十分必要的，這不僅可以最大程度地保證人員安全，而且采集數(shù)據(jù)將更便捷、準(zhǔn)確，對試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)整理也很有幫助。試驗(yàn)中用到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖6 所示，遠(yuǎn)程監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)如圖7 所示。

圖6 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用的各種觀測手段中，精密水準(zhǔn)儀、Leica 全站儀、IBIS-S 建筑微變遠(yuǎn)程監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)需要人工觀測，其余的測量方法都可以接入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

圖7 IBIS-S 遠(yuǎn)程監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 主梁撓度

各試驗(yàn)工況下，主梁關(guān)鍵截面各測點(diǎn)的撓度實(shí)測值見表1，各級加載工況與撓度的關(guān)系曲線如圖8 所示。

表1 主梁截面撓度實(shí)測值(單位:mm)

圖8 關(guān)鍵截面加載工況-撓度關(guān)系示意圖

從表1 和圖8 可知，主梁測試截面兩側(cè)撓度隨加載工況變化的趨勢基本一致;工況1 到工況6 隨中跨加載量的逐級增大，其邊跨跨中撓度逐漸減少; 工況7 到工況13 隨邊跨加載量的逐級增大，其中跨跨中撓度逐漸減少;工況13 的邊跨跨中撓度達(dá)到6.2 mm，截面底部出現(xiàn)裂縫;由于負(fù)彎矩的影響，邊跨和中跨跨中撓度均隨其加載級別的增大而撓度減少，這符合連續(xù)梁的受力特點(diǎn)。

3.1.2 主梁應(yīng)變

各試驗(yàn)工況下，在主梁各關(guān)鍵截面0#～1#的1/4、0#～1#的跨中、0#～1#的3/4、1#～2#的跨中下緣處均勻布置6 個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，此外，在1#支座、2#支座上緣截面均勻布置6 個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。因?yàn)榻孛孑^大，應(yīng)變片分布較離散，為了能較為準(zhǔn)確和安全地反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，取各截面6 個(gè)測區(qū)應(yīng)變最大值匯總，見表2。測試截面加載工況與應(yīng)變的關(guān)系如圖9 所示。

表2 主梁測試截面各測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測最大值(單位:με)

圖9 測試截面加載工況—應(yīng)變關(guān)系示意圖

從表2 和圖9 中可知，隨著荷載逐級加大，邊跨跨中底部的應(yīng)變也增大，其中工況13 的值最大，約為201 με;1#支座負(fù)彎矩區(qū)域截面頂部應(yīng)力隨邊跨荷載的增大而增大;而受到負(fù)彎矩的影響，中跨跨中截面底部應(yīng)力變化趨勢與邊跨相反，這符合連續(xù)梁的受力特點(diǎn)。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 橋梁承載力極限狀態(tài)分析

隨著加載等級逐漸增大，各關(guān)鍵截面的內(nèi)力與變形均隨著增大，試驗(yàn)最終狀態(tài)是: 邊跨跨中截面底部產(chǎn)生裂縫，內(nèi)支座截面頂部未見裂縫。整個(gè)加載試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的最大撓度與應(yīng)變情況見表3。

表3 主梁關(guān)鍵截面最大試驗(yàn)荷載效應(yīng)

3.2.2 橋梁整體性能分析

為了得到既有橋梁的實(shí)際承載能力并估計(jì)其現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力，根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)資料及相關(guān)規(guī)范［14］，分析其整體性能，包括其設(shè)計(jì)彎矩、消壓彎矩、開裂彎矩和極限彎矩值。

對橋梁的材料性質(zhì)檢測得到其C50 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為56 MPa，彈性模量為3.55 ×104MPa，由理論公式計(jì)算得到橋梁關(guān)鍵截面的主要控制指標(biāo)，見表4。

表4 關(guān)鍵截面控制彎矩理論值(單位:kN·m)

根據(jù)關(guān)鍵截面控制彎矩理論值，通過計(jì)算得到不同工況外荷載彎矩作用下，主梁各關(guān)鍵截面撓度增量值和預(yù)壓受拉邊緣混凝土應(yīng)變增量值，并與試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果分別見表5 和表6。

表5 主梁截面加載撓度理論值與實(shí)測值比較(單位:mm)

表6 主梁截面應(yīng)變理論值與實(shí)測值比較(單位:με)

從表5 中可知，大部分工況下0#～1#邊跨跨中截面和1#～2#跨中截面結(jié)構(gòu)的變形檢驗(yàn)系數(shù)多數(shù)都大于1;從表6 中可知，大部分工況下0#～1#邊跨跨中截面梁底和1#支座截面梁頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)應(yīng)變檢驗(yàn)系數(shù)都大于1，由此說明在相同加載情況下，該結(jié)構(gòu)的受力變形和內(nèi)力均大于理論計(jì)算值，其承載能力隨著服役期的增長而逐漸降低，而結(jié)構(gòu)承載能力的降低很大程度上是由預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的。當(dāng)然，因存在原位試驗(yàn)誤差(包括設(shè)備誤差和夜間施工等外界條件的影響) ，極個(gè)別工況的結(jié)構(gòu)變形檢驗(yàn)系數(shù)和應(yīng)變檢驗(yàn)系數(shù)小于1。此外，0# ～1#邊跨跨中截面在工況6 時(shí)的截面卸載狀態(tài)下起拱值為0.3 mm，而理論計(jì)算值為1.36 mm(表5) ，表明在彈性階段，截面卸載后結(jié)構(gòu)變形恢復(fù)情況不佳，這進(jìn)一步說明服役20年后的橋梁的預(yù)應(yīng)力存在損失，其現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力降低。

4 既有橋梁現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力分析

應(yīng)用MIDAS 設(shè)計(jì)軟件，在考慮了施工階段預(yù)應(yīng)力筋分段張拉施工工藝、施工誤差等因素的情況下，建立橋梁成橋狀態(tài)模型，以成橋狀態(tài)為研究對象，通過原位試驗(yàn)獲得既有結(jié)構(gòu)的開裂荷載，將其作為結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的外加荷載，通過理論計(jì)算獲得成橋狀態(tài)時(shí)橋梁在此外加荷載作用下的內(nèi)力和變形，并與混凝土理論容許名義開裂拉應(yīng)力進(jìn)行比較，兩者的差值即為預(yù)應(yīng)力損失造成的，以此來推算既有橋梁的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力。

混凝土容許拉應(yīng)力考慮了施工預(yù)應(yīng)力的方式、混凝土強(qiáng)度以及容許裂縫寬度的等級等因素，同時(shí)也進(jìn)行了梁體高度和非預(yù)應(yīng)力筋含量的修正［15］。此法考慮了施工誤差等影響橋梁實(shí)際狀態(tài)的因素，把成橋狀態(tài)作為分析既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的依據(jù)，通過理論計(jì)算得到在實(shí)測開裂荷載作用下成橋狀態(tài)的內(nèi)力。0# ～1#邊跨跨中截面實(shí)際和理論內(nèi)力和變形值見表7。

表7 0#～1#邊跨跨中截面現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力推算數(shù)據(jù)

從表7 中可知，經(jīng)過試驗(yàn)加載可知，當(dāng)0# ～1#邊跨跨中加載2160 kN，1# ～2#中跨跨中加載1080 kN 時(shí)，0#～1#邊跨跨中截面底部混凝土出現(xiàn)裂縫; 通過計(jì)算獲得C50 混凝土容許名義拉應(yīng)力5.64 MPa，根據(jù)開裂應(yīng)力(5.64 MPa) 和成橋狀態(tài)理論計(jì)算應(yīng)力(5.26 MPa) 的差值推算出該既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力值約為458.78 kN，設(shè)計(jì)張拉控制力為565kN，依此可計(jì)算出該結(jié)構(gòu)經(jīng)過20年的服役期，其預(yù)應(yīng)力相比成橋狀態(tài)損失約18.8%。

5 結(jié) 論

介紹了已服役20年的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板連續(xù)梁橋的原位試驗(yàn)，同時(shí)對原位試驗(yàn)獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如下:

(1) 獲得13 個(gè)加載工況下各測試截面的撓度增量值和應(yīng)變增量值，繪制了各荷載工況的撓度增量曲線和應(yīng)變增量曲線。試驗(yàn)最終破壞狀態(tài)是: 在第12 個(gè)加載工況下，當(dāng)0#～1#邊跨跨中加載2160 kN 和1#～2#中跨跨中加載1080 kN 時(shí)，在0#～1#邊跨跨中截面底部混凝土出現(xiàn)裂縫。

(2) 在關(guān)鍵截面撓度增量和應(yīng)變增量實(shí)測值和理論值的對比分析過程中，發(fā)現(xiàn)大部分工況的結(jié)構(gòu)變形檢驗(yàn)系數(shù)和應(yīng)變檢驗(yàn)系數(shù)都大于1，說明在相同加載情況下，該既有結(jié)構(gòu)的受力變形和應(yīng)變均大于理論計(jì)算值，結(jié)構(gòu)的承載能力隨著服役期增長逐漸降低，而結(jié)構(gòu)承載能力的降低很大程度上是由于預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的。

(3)0#～1#邊跨跨中截面卸載時(shí)，起拱值為0.3 mm，而理論計(jì)算值為1.36 mm，說明在彈性階段，該既有結(jié)構(gòu)截面卸載后變形恢復(fù)情況不佳，進(jìn)一步說明結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力存在損失，現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力相比成橋狀態(tài)時(shí)大大降低。

(4) 建立成橋狀態(tài)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的分析方法為: 將原位試驗(yàn)獲得的既有結(jié)構(gòu)的開裂荷載作為成橋狀態(tài)的外加荷載，通過理論計(jì)算獲得成橋狀態(tài)時(shí)橋梁的內(nèi)力和變形。通過此法，發(fā)現(xiàn)在實(shí)測開裂荷載作用下，成橋狀態(tài)下的0# ～1#邊跨跨中的彎矩為4652.59 kN，應(yīng)力為5.26 MPa，撓度為6.5 mm，通過和實(shí)際開裂彎矩和應(yīng)力比較，推算出橋梁的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力約為458.78 kN，相比成橋狀態(tài)損失約18.8%。此法實(shí)現(xiàn)了對既有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的評估，這對類似的橋梁判斷加固、拆除方案具有重要的工程借鑒意義。