服役15年的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板破壞性靜載試驗(yàn)研究

尹銀蓉，李 睿，付 彥，唐正光

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 云南 650500；2.玉溪公路局，玉溪 云南 653100)

0 引 言

橋梁作為公路交通系統(tǒng)的咽喉工程，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活中發(fā)揮著重要作用[1-3]。橋梁在服役期間，由于外界環(huán)境和超載等問(wèn)題的影響，結(jié)構(gòu)往往會(huì)受到不同程度的損傷，加之混凝土材料本身性能的退化、鋼筋的銹蝕、鋼絞線的松弛等各種因素，導(dǎo)致橋梁的安全性和耐久性下降。掌握服役橋梁的技術(shù)狀況、受力性能和實(shí)際承載能力，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[4-6]。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋是中國(guó)中小跨度橋梁廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式之一，目前主要是采用荷載試驗(yàn)的方法對(duì)其實(shí)際承載能力進(jìn)行評(píng)定，但常規(guī)荷載試驗(yàn)的加載力水平一般都局限于正常使用荷載范圍之內(nèi),橋梁彈塑性階段的受力特性無(wú)從得知[7-11]。本文對(duì)一座已服役15年的預(yù)應(yīng)力空心板進(jìn)行單梁加載試驗(yàn)，以研究服役多年的預(yù)應(yīng)力空心板在試驗(yàn)荷載作用下的受力性能和實(shí)際承載能力，驗(yàn)證空心板的可靠性，為以后的橋梁管養(yǎng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工程概況

試驗(yàn)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板是從云南省玉溪市七公里橋上拆除下來(lái)的，該橋已建成通車15年，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20級(jí)、掛車-100級(jí)。該橋上部結(jié)構(gòu)采用3 m×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，混凝土等級(jí)為C40，板高0.95 m，寬0.99 m。原橋部分空心板存在板底縱向開(kāi)裂、底板空洞、主筋及鋼絞線外露等病害，故原橋的總體技術(shù)狀況等級(jí)被評(píng)為4類，取一片技術(shù)狀況相對(duì)較好的空心板進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)模型

空心板結(jié)構(gòu)采用有限元軟件進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 單片空心板計(jì)算模型

2.2 試驗(yàn)荷載效率和加載力水平

本次空心板破壞性試驗(yàn)按5個(gè)受力節(jié)點(diǎn)劃分，中間適當(dāng)分級(jí)。根據(jù)原設(shè)計(jì)荷載要求，計(jì)算確定該橋在設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20級(jí)、掛車-100時(shí)的跨中最大正彎矩，并以此作為常規(guī)靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)荷載加載量的控制依據(jù)，常規(guī)靜載試驗(yàn)加載力(設(shè)計(jì)荷載)的試驗(yàn)荷載效率取ηq=1.0，則加載力Ⅰ為1.0倍掛車。

表1 各級(jí)加載力水平下的跨中彎矩值 kN·m

3 試驗(yàn)方案

首先進(jìn)行常規(guī)靜載試驗(yàn)，再逐級(jí)增加荷載，直至受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂，橋梁破損。對(duì)該空心板在試驗(yàn)各級(jí)加載力下的應(yīng)力、撓度歷程和裂縫發(fā)展的全過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)和分析。

3.1 測(cè)試內(nèi)容

試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容包括：空心板關(guān)鍵截面在各級(jí)試驗(yàn)荷載下的應(yīng)力、撓度和裂縫等。

3.2 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)選取空心板L/4、L/2、3L/4處的截面作為空心板的應(yīng)力和撓度測(cè)試截面進(jìn)行應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)，如圖2、3所示。

圖2 應(yīng)力測(cè)試截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖3 撓度測(cè)試截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

3.3 試驗(yàn)加載方案

在正式試驗(yàn)之前對(duì)空心板實(shí)施預(yù)壓(加載力為加載力Ⅰ的50%，以消除非彈性變形)；正式試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，采用2個(gè)分離式液壓千斤頂(110 t)同步均勻施加反作用力于空心板頂面，模擬分級(jí)加載的2個(gè)集中力，并按表2分級(jí)加載，加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4、5所示，試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示，液壓千斤頂加載系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖7所示。

圖4 加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ土⒚?/p>

圖5 加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡?cè)面

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖7 液壓千斤頂加載系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片

表2 試驗(yàn)的各級(jí)加載量

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 裂縫觀測(cè)及分析

空心板在(99.1 kN，117.2 kN]區(qū)段加載過(guò)程中，梁體表面開(kāi)始出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，且在五級(jí)加載力(P1=P2=117.2 kN)下，跨中1.535 m長(zhǎng)度范圍出現(xiàn)5條自底緣往上延伸至腹板下部的對(duì)稱豎向裂縫，H為15～20.5 cm，δmax為0.02～0.04 mm。在(117.2 kN，280 kN]區(qū)段加載過(guò)程中，腹板裂縫分布范圍、數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度迅速發(fā)展，裂縫分布于空心板跨中5.65 m長(zhǎng)度范圍，五級(jí)加載力下的5條裂縫長(zhǎng)度向上延伸15～36.5 cm，縫寬增大0.12～0.14 mm，變H為30.5～52 cm，δmax為0.16～0.18 mm；新增豎向裂縫21條，H為10～54 cm，δmax為0.04～0.16 mm；新增斜向裂縫(裂縫上端往跨中方向傾斜)4條，H為61～79 cm，δmax為0.08～0.12 mm。

在加載過(guò)程中，空心板的跨中部位最先出現(xiàn)豎向裂縫，其部分裂縫是原有裂縫的擴(kuò)展所致，大部分則是新產(chǎn)生的裂縫，且新裂縫的出現(xiàn)基本在原有裂縫位置開(kāi)始逐漸向兩邊發(fā)展，與傳統(tǒng)的裂縫發(fā)展的總體分布情況和趨勢(shì)一致。由于此加載模型剪跨比較大，梁端主拉應(yīng)力較小，故其裂縫形態(tài)表現(xiàn)為彎拉裂縫，試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)剪切斜拉裂縫。

空心板設(shè)計(jì)理論開(kāi)裂彎矩Mcr=1 516.4 kN·m(加載力Ⅲ)的加載力為P1=P2=117.2 kN(五級(jí)加載力)，經(jīng)試驗(yàn)，空心板在加載力(99.1 kN，117.2 kN]區(qū)段加載過(guò)程中，梁體表面就開(kāi)始出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，故將加載力下限99.1 kN對(duì)應(yīng)的跨中試驗(yàn)彎矩MF=1 354.7 kN·m作為實(shí)測(cè)開(kāi)裂彎矩，它是設(shè)計(jì)理論開(kāi)裂彎矩的0.89倍，說(shuō)明在理論極限荷載作用下，空心板實(shí)際抗裂性能不滿足正常使用極限狀態(tài)要求，這主要是由空心板在長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中的混凝土累積損傷、混凝土材料性能的退化和預(yù)應(yīng)力損失引起的，這種損傷降低了空心板在正常使用狀態(tài)下的主梁剛度。

4.2 撓度歷程分析

每級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，主測(cè)截面板底實(shí)測(cè)撓度歷程對(duì)比分析見(jiàn)圖8。

圖8 主測(cè)截面實(shí)測(cè)撓度歷程對(duì)比分析

如圖8(a)～(c)所示，空心板在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，L/4、L/2、3L/4處截面的撓度曲線變化趨勢(shì)大致一致，在P1=P2∈(0 kN，51 kN]區(qū)段，撓度隨著荷載等級(jí)升高而增大的趨勢(shì)較小，隨著荷載的繼續(xù)增加，各截面撓度迅速增大，這一變化規(guī)律與試驗(yàn)測(cè)試撓度沿梁長(zhǎng)分布(圖8(d))一致，說(shuō)明隨著荷載等級(jí)的增加，空心板因結(jié)構(gòu)剛度大幅度減小，撓度的增長(zhǎng)速率加快，而空心板在長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中的混凝土累積損傷和預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)剛度下降明顯。L/4和3L/4處截面實(shí)測(cè)撓度變化非對(duì)稱，說(shuō)明隨著荷載等級(jí)的增加，沿梁長(zhǎng)方向各截面剛度變化不均勻。

各截面撓度均在P1=P2∈(143.5 kN，180 kN]區(qū)段超出理論值，則當(dāng)試驗(yàn)荷載不大于設(shè)計(jì)承載力對(duì)應(yīng)的加載力時(shí)，各截面的實(shí)測(cè)撓度小于理論撓度，各截面撓度校驗(yàn)系數(shù)均未超過(guò)規(guī)范限值1。當(dāng)跨中試驗(yàn)荷載加至最大時(shí)，梁體跨中下?lián)?10.04 mm，最大撓度為計(jì)算跨度的1/181，滿足判定結(jié)構(gòu)達(dá)到極限破壞狀態(tài)時(shí)彎曲撓度需達(dá)到跨度的1/50這一要求，表明在超過(guò)理論極限荷載的試驗(yàn)荷載下，試驗(yàn)空心板仍可繼續(xù)工作，但此時(shí)已經(jīng)不能滿足正常使用的要求。

4.3 應(yīng)力歷程分析

每級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，主測(cè)截面板底實(shí)測(cè)應(yīng)力歷程對(duì)比分析見(jiàn)圖9。

圖9 主測(cè)截面板底實(shí)測(cè)應(yīng)力歷程對(duì)比分析

空心板在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，L/4處截面下緣實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線與理論曲線大致一致，基本呈線性變化，如圖9(a)和(c)所示。但3L/4處截面測(cè)點(diǎn)1在P1=P2∈(0 kN，99.1 kN]區(qū)段實(shí)測(cè)應(yīng)力基本呈線性變化，在P1=P2∈(99.1 kN，117.2 kN]區(qū)段應(yīng)力隨著加載力的增大反而減小，在P1=P2∈(117.2 kN，280 kN]區(qū)段應(yīng)力反彈增大；而測(cè)點(diǎn)2實(shí)測(cè)應(yīng)力基本呈線性變化，但與理論應(yīng)力值的差值隨荷載的增加而增大，說(shuō)明3L/4處截面受到空心板下緣開(kāi)裂的影響，應(yīng)力反常系裂縫間混凝土纖維回縮使得部分應(yīng)力被釋放所致，隨著裂縫的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，下緣混凝土逐步退出工作，開(kāi)裂區(qū)域測(cè)點(diǎn)應(yīng)力保持在低應(yīng)力水平。L/4和3L/4處截面下緣實(shí)測(cè)應(yīng)力變化非對(duì)稱，除因試驗(yàn)時(shí)受裂縫影響不同外，也因空心板在施工期間的制作誤差或在服役期間不均勻承載，導(dǎo)致空心板截面變化，從而引起承載力不均衡。

如圖9(b)，L/2處截面在P1=P2∈(0 kN，117.2 kN]區(qū)段下緣實(shí)測(cè)應(yīng)力基本呈線性變化，均小于理論值，則當(dāng)試驗(yàn)荷載不大于空心板開(kāi)裂彎矩對(duì)應(yīng)的加載力時(shí)，各截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力小于理論應(yīng)力，各截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均未超過(guò)規(guī)范限值1。在P1=P2∈[143.5 kN，280 kN]區(qū)段“溢出”，即L/2截面下緣混凝土沿豎向被拉裂，導(dǎo)致應(yīng)變片被拉壞。空心板正截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)的加載力為P1=P2=143.5 kN，經(jīng)試驗(yàn)，空心板在P1=P2∈(117.2 kN，143.5 kN]區(qū)段加載過(guò)程中，梁體跨中截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力大于理論應(yīng)力，故將加載力下限117.2 kN作為實(shí)際抗彎承載力對(duì)應(yīng)的加載力，是設(shè)計(jì)理論值的0.82倍。

4.4 承載能力分析

(1)為了分析試驗(yàn)空心板達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)的加載力，本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別采用判定結(jié)構(gòu)達(dá)到正常使用極限狀態(tài)的3個(gè)準(zhǔn)則[13]來(lái)分析：準(zhǔn)則1，根據(jù)荷載-撓度曲線的拐點(diǎn)判斷；準(zhǔn)則2，由裂縫發(fā)展情況判斷；準(zhǔn)則3，根據(jù)荷載-撓度曲線，限制撓度取計(jì)算跨度的1/600。分析結(jié)果如表3所示。

表3 正常使用極限狀態(tài)加載力 kN

從表3可得，不管是實(shí)測(cè)值還是理論值，由裂縫發(fā)展情況控制的加載力最小，因此試驗(yàn)空心板的正常使用極限狀態(tài)由結(jié)構(gòu)抗裂性控制。

(2)實(shí)測(cè)開(kāi)裂彎矩是設(shè)計(jì)理論開(kāi)裂彎矩的0.89倍，說(shuō)明試驗(yàn)空心板抗裂性能不滿足正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求。

(3)在最不利荷載組合(P1=P2=99.1 kN)作用下，空心板各測(cè)點(diǎn)撓度、應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)未超出規(guī)范值1，實(shí)測(cè)撓度和應(yīng)力與理論值符合較好，空心板受力狀況無(wú)異常，滿足空心板承載能力極限狀態(tài)要求。

(4)當(dāng)試驗(yàn)荷載還小于設(shè)計(jì)極限荷載對(duì)應(yīng)的加載力時(shí)，空心板實(shí)測(cè)應(yīng)力大于理論計(jì)算值，說(shuō)明空心板實(shí)際承載力小于設(shè)計(jì)承載力，比值為0.82；當(dāng)試驗(yàn)荷載加至最大時(shí)，跨中最大撓度為計(jì)算跨度的1/181，空心板還未達(dá)到極限破壞狀態(tài)，說(shuō)明在超過(guò)設(shè)計(jì)極限荷載的試驗(yàn)荷載下，試驗(yàn)空心板仍可繼續(xù)工作，可看出在此加載階段，梁體表現(xiàn)出很好的延性。

(5)空心板在P1=P2∈(0 kN，99.1 kN]區(qū)段處于彈性階段，在P1、P2∈(99.1，280]kN區(qū)段處于彈塑性階段。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)已服役15年的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板進(jìn)行破壞性靜載試驗(yàn)，觀測(cè)并分析了應(yīng)力、撓度和裂縫發(fā)展，主要得出以下結(jié)論。

(1)由于空心板在15年服役過(guò)程中的混凝土累積損傷、混凝土材料性能的退化和預(yù)應(yīng)力損失，導(dǎo)致其在后續(xù)承載時(shí)結(jié)構(gòu)剛度下降明顯，結(jié)構(gòu)抗裂性不能滿足正常使用極限狀態(tài)要求，空心板實(shí)際承載力小于設(shè)計(jì)承載力；但其在破損階段卻表現(xiàn)出了較好的延性特征，梁體在通過(guò)增大撓度協(xié)調(diào)截面受力的過(guò)程中表現(xiàn)出了良好的變形性能。

(2)由于空心板在施工期間的制作誤差或在服役期間的不均勻承載和混凝土累積損傷，導(dǎo)致空心板截面變化，從而引起沿梁長(zhǎng)方向各截面的承載力不均衡以及在加載過(guò)程中剛度變化不均勻。

(3)此類橋梁在后續(xù)加固計(jì)算時(shí)，考慮到橋梁實(shí)際受力性能的下降，應(yīng)對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行折減。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)計(jì)算，所得折減系數(shù)為0.77，試驗(yàn)所得折減系數(shù)為0.82，可見(jiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與評(píng)定規(guī)程計(jì)算結(jié)果相比，評(píng)定規(guī)程相對(duì)保守安全。