公路橋梁預(yù)應(yīng)力空心板梁靜載試驗研究

陳小英

（山西晉通公路工程監(jiān)理有限公司，山西 晉城 048000）

預(yù)應(yīng)力空心板梁構(gòu)造簡單、施工工藝簡單，在小跨徑橋梁施工中得到了廣泛應(yīng)用。通常，預(yù)應(yīng)力空心板梁都采用預(yù)制后運送到施工現(xiàn)場架設(shè)的方式施工，不僅可以保證施工質(zhì)量，還可以節(jié)約施工成本。為了保證預(yù)應(yīng)力空心板梁的施工質(zhì)量，架設(shè)施工前開展單梁靜載試驗，分析評定梁體施工質(zhì)量，進(jìn)而進(jìn)行橋梁承載力評定。依托高速公路大橋預(yù)應(yīng)力空心板梁施工項目，在施工過程中開展單梁靜載試驗，收集數(shù)據(jù)分析梁體應(yīng)力、撓度和裂縫檢測結(jié)果，作為梁體施工質(zhì)量的判斷依據(jù)。

1 公路橋梁預(yù)應(yīng)力空心板靜載試驗承載力評定

靜載試驗是評定橋梁承載力最常用的方法，在國內(nèi)外橋梁檢測中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。調(diào)查確定橋梁預(yù)應(yīng)力空心板外觀尺寸、結(jié)構(gòu)組成，通過施加試驗性荷載，并參照試驗空心板截面應(yīng)力、位移（撓度）、裂縫等結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，分析試驗數(shù)據(jù)確定橋梁在運營使用過程中的工作狀態(tài)，確定橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對橋梁承載能力進(jìn)行評定。

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/TJ21-01—2015）中的相關(guān)規(guī)定，采用靜載試驗對橋梁承載力進(jìn)行評定應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行分析。

1.1 測點校驗系數(shù)η

測點校驗系數(shù)η是評定橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和橋梁承載力的重要指標(biāo)。通過靜載試驗測量規(guī)定荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的彈性位移（或應(yīng)變），實際測量值與理論計算值的比值即為校驗系數(shù)[2]，計算公式如式（1）：

式中：Se為規(guī)定試驗荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的彈性位移（或應(yīng)變）的實際測量值；Ss為規(guī)定試驗荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的彈性位移（或應(yīng)變）的理論計算值。

測點校驗系數(shù)η越小，說明橋梁結(jié)構(gòu)越安全。當(dāng)η≤1時，說明理論計算值偏安全，橋梁結(jié)構(gòu)安全，處于彈性工作狀態(tài)，且工作狀態(tài)良好。然而，測點校驗系數(shù)η過大或過小對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計也是不利的[3]。當(dāng)測點校驗系數(shù)η過大時，橋梁各組成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足，各組成部分連接性能較差，可能造成結(jié)構(gòu)剛度不足；當(dāng)測點校驗系數(shù)η過小時，橋梁各組成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和彈性模量均較大，預(yù)應(yīng)力空心板梁與鋪裝層、人行道等共同受力，計算方法或計算圖式過于偏安全等。對預(yù)應(yīng)力空心板梁橋，應(yīng)變（或應(yīng)力）校驗系數(shù)取值范圍為0.6～0.9，撓度校驗系數(shù)取值范圍為0.7～1.0。

1.2 實際測量值與理論計算值的關(guān)系曲線

橋梁結(jié)構(gòu)的彈性位移（或應(yīng)變）的理論計算值存在一定的線性關(guān)系，實際測量值也應(yīng)該具有一定的線性關(guān)系，并與理論計算值成正比。如實際測量值關(guān)系曲線接近一條直線，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。

1.3 測點的相對殘余位移（或應(yīng)變）ΔSp

式中：St為總位移（或應(yīng)變）；Sp為殘余位移（或應(yīng)變）。

橋梁試驗測點在荷載作用下，ΔSp計算值越小，說明橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)越接近彈性工作狀態(tài)[4]。按照規(guī)范要求，ΔSp計算值應(yīng)小于20%，超出規(guī)定值時應(yīng)查明原因，如果是由于橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足導(dǎo)致的，應(yīng)在評定時適當(dāng)降低橋梁承載力。

1.4 靜載試驗注意事項

在施工現(xiàn)場進(jìn)行靜載試驗，應(yīng)嚴(yán)格按照試驗方案開展試驗，從小到大進(jìn)行加載。試驗過程中對測點處的位移（或應(yīng)變）進(jìn)行記錄，如發(fā)現(xiàn)局部有開裂情況，立即停止加載或卸載[5]。另外，終止試驗的情況還包括以下幾類：

a）測點位移（或應(yīng)變）實際測量值超出檢算控制值和規(guī)范規(guī)定值，應(yīng)終止加載試驗。

b）試驗過程中發(fā)現(xiàn)表面裂縫的寬度超出規(guī)范允許縫寬，且不斷增加，會降低結(jié)構(gòu)使用壽命，應(yīng)終止試驗。

c）試驗過程中墩臺變位超限，且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，應(yīng)終止試驗。

d）試驗過程中出現(xiàn)其他破壞，會降低橋梁承載力，影響正常使用，應(yīng)終止試驗。

2 預(yù)應(yīng)力空心板梁靜載試驗方案

2.1 依托項目概況

連霍高速公路王家?guī)X大橋，設(shè)計采用6×20 m簡支空心板梁橋。橋梁設(shè)計荷載等級為公路Ⅰ級，上部結(jié)構(gòu)選用20 m后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩臺，樁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。預(yù)應(yīng)力空心板梁混凝土標(biāo)號為C50，板高0.95 m。墩臺混凝土標(biāo)號為C30，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)為C25混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，橡膠支座。

為了檢驗預(yù)應(yīng)力空心板梁設(shè)計與施工質(zhì)量，確定梁體的工作狀態(tài)，檢驗橋梁承載力，對空心板梁開展靜載試驗。在試驗過程中記錄各測點在規(guī)定試驗荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度，與理論計算值對比分析，為確定橋梁結(jié)構(gòu)承載力提供數(shù)據(jù)參考，進(jìn)而修正設(shè)計，確保橋梁安全使用。

2.2 確定試驗荷載

由于單梁還沒有完成施工，橋梁鋪裝層、護(hù)欄等結(jié)構(gòu)荷載采用設(shè)計荷載進(jìn)行計算。本項目20 m預(yù)應(yīng)力空心板靜載試驗荷載根據(jù)跨中截面彎矩等效的原則確定，將橋梁運行過程中設(shè)計荷載與二期恒載作為控制荷載，將換算后的集中荷載或均布荷載作用在單梁上，確定試驗荷載。通過分級加載，測量空心板梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度，分析確定預(yù)制梁施工質(zhì)量，進(jìn)而進(jìn)行承載力評定。選取中梁試驗結(jié)果進(jìn)行分析，靜載試驗荷載數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜載試驗荷載數(shù)據(jù)表

2.3 測點布置

2.3.1 應(yīng)力測點布置

通過對空心板梁進(jìn)行分析計算，應(yīng)力測量斷面設(shè)置在板梁L/2截面、L/4截面，應(yīng)力測點在梁體底部對稱設(shè)置2個測點，在梁體兩側(cè)分別對稱設(shè)置3個測點，測點和斷面布置如圖1所示。

圖1 應(yīng)力和撓度測點布置斷面圖

2.3.2 撓度測點布置

撓度測量斷面設(shè)置在板梁L/2截面、L/4截面，撓度測點為板梁兩側(cè)支座位置，每個測量斷面和測點處分別在梁體底部對稱設(shè)置2個測點，測點和斷面布置如圖1所示。

2.4 靜載試驗

圖2 靜載試驗加載裝置示意圖

圖3 靜載試驗現(xiàn)場加載試驗圖

本項目空心板靜載試驗采用液壓千斤頂加載，并利用配載梁提供反力，加載裝置如圖2和圖3所示。為了保證試驗安全，靜載試驗分5級加載，加載效率如表1所示，分兩級卸載，分別為-50%、-100%。為了消除塑性變形，正式進(jìn)行試驗前先進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓加載量為總加載荷載的80%。加載后梁體內(nèi)部的變形和內(nèi)力需要經(jīng)過一段時間方可穩(wěn)定，穩(wěn)定時間不得少于5 min，因此每次加載后應(yīng)待測量儀器讀數(shù)穩(wěn)定后方可讀數(shù)。每級加載后采集數(shù)據(jù)，記錄應(yīng)力、撓度實際測量值，同時對梁體表面的裂縫出現(xiàn)與發(fā)展情況進(jìn)行觀察。

3 靜載試驗結(jié)果分析

本項目試驗梁選取5-3中梁，靜載試驗分級加載過程中對跨中截面應(yīng)力、撓度進(jìn)行檢測，并對梁體表面裂縫進(jìn)行觀測。收集數(shù)據(jù)，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，評價預(yù)應(yīng)力空心板施工質(zhì)量和橋梁承載力。

3.1 跨中截面應(yīng)力試驗結(jié)果分析

跨中截面受力選取本項目5-3中梁跨中截面梁底混凝土應(yīng)力靜載試驗檢測結(jié)果作為研究對象，檢測數(shù)據(jù)如表2和表3所示，梁底混凝土應(yīng)力測試曲線如圖4所示。

表2 試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土應(yīng)力檢測值

表3 試驗梁5-3跨中截面殘余應(yīng)變分析結(jié)果

圖4 試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土應(yīng)力測試曲線

分析表2、表3數(shù)據(jù)和圖4曲線，5-3中梁跨中截面梁底混凝土應(yīng)力實際測量值均小于理論計算值，校驗系數(shù)η分布范圍為0.79～0.82，滿足規(guī)范要求，說明梁體具有足夠的安全儲備。卸載后相對殘余位移均小于20%，應(yīng)力檢測結(jié)果說明梁體變形應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.2 跨中截面撓度試驗結(jié)果分析

試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土撓度檢測結(jié)果如表4所示，測試曲線如圖5所示。

表4 試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土撓度檢測結(jié)果

圖5 試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土撓度測試曲線

分析表4數(shù)據(jù)和圖5測試曲線，試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土撓度實際測量值均小于理論計算值，校驗系數(shù)η分布范圍為0.85～0.88，說明梁體結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。結(jié)合表3數(shù)據(jù)，卸載后相對殘余位移均小于20%，撓度檢測結(jié)果說明梁體撓度變形滿足規(guī)范要求。

3.3 裂縫觀察

在對試驗梁5-3進(jìn)行靜力加載試驗過程中，在每一次加載后對梁體外觀進(jìn)行觀察。未發(fā)現(xiàn)梁體表面出現(xiàn)開裂，也沒有出現(xiàn)其他異常情況，說明梁體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足抗裂性要求。梁體總體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)肉眼可見的結(jié)構(gòu)裂縫，說明預(yù)應(yīng)力空心板滿足A類構(gòu)件的要求。

3.4 綜合分析

通過對試驗梁5-3跨中截面應(yīng)力、撓度、殘余應(yīng)力、殘余撓度等指標(biāo)的檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)合上述應(yīng)力、撓度檢測結(jié)果，均滿足規(guī)范要求。靜載試驗完成后，卸載后殘余應(yīng)力為0.68 MPa，跨中截面應(yīng)力實際檢測最大值為3.71 MPa，計算二者比值S'PY=0.68/3.71=0.183，滿足規(guī)范要求的S'PY≤0.20。卸載后跨中截面殘余撓度為-1.39 mm，跨中截面撓度實際檢測最大值為-8.71 mm，計算二者比值S'PR=（-1.39）/（-8.71）=0.160，滿足規(guī)范要求的S'PR≤0.20。綜上所述，試驗梁5-3靜載試驗結(jié)果表明，梁體強(qiáng)度、剛度、抗裂性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過對王家?guī)X大橋預(yù)應(yīng)力空心板梁開展靜載試驗，采集各分級加載階段測點應(yīng)力、撓度，并觀察梁體表面裂縫，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

a）試驗梁應(yīng)力實際測量值均小于理論計算值，檢驗系數(shù)均滿足規(guī)范要求，卸載后相對殘余位移均小于20%，說明梁體變形應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

b）試驗梁撓度實際測量值均小于理論計算值，檢驗系數(shù)滿足規(guī)范要求，且卸載后相對殘余位移均小于20%，說明梁體撓度變形滿足規(guī)范要求。

c）靜載試驗各階段未發(fā)現(xiàn)梁體表面出現(xiàn)裂縫，結(jié)合應(yīng)力和撓度的監(jiān)測結(jié)果，說明梁體施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求。