40m預應力混凝土T梁靜載破壞試驗研究

侯敏

（中國鐵建股份有限公司，北京 100855）

1 工程概況

某4×40m 簡支變連續梁橋，共14 聯，平面處于一條直線上，雙向六車道，設計時速120km，公路-Ⅰ級荷載。上部采用先簡支后連續預應力混凝土T 梁，C50混凝土，部分預應力A 類構件。橫斷面如圖1 所示。

圖1 T 梁橫斷面圖（單位：mm）

圖2 豎向位移觀測點位排布

2 T 梁破壞試驗

2.1 試驗目的和主要內容

2.1.1 主要目的

（1）通過靜載試驗，觀察、測試T 梁的工作狀態并記錄試驗數據，分析該梁體工作狀況是否符合設計有關要求；

（2）實測T 梁的消壓以及開裂彎矩，并與理論值進行比較；

（3）在試驗荷載作用下，對梁體裂縫產生及發展情況進行觀測，分析裂縫性質及發展規律；

（4）借助試驗結果，對試驗對象承載力及工作狀態進行綜合性評價。

2.1.2 主要內容

（1）資料收集、試驗分析

收集相關設計施工資料，對試驗梁進行理論計算和分析。包括：梁片的應力計算、加載重量等級的確定、測試數據處理和分析。

（2）現場測試和數據分析處理

步驟一：采用千斤頂反力梁裝置，在現場逐級加載，并及時記錄每級荷載應變數據，當跨中底部出現豎向裂縫時即停加載，記錄此時荷載值，并計算對應開裂彎矩；然后緩慢卸載，當裂縫消失時再次記錄試驗數據，計算跨中消壓彎矩。

步驟二：卸載后，重復步驟一兩遍。

步驟三：當卸載完成，繼續逐級加載，直至跨中底部出現10mm 寬裂縫時停止加載，記錄荷載數據，之后完成卸載。

通過上述方法，觀測試驗梁選定截面（見圖3）在各級荷載作用下的應力、變形及裂縫發展狀況，主要包括：

圖3 b-b、c-c、d-d 截面應變測點布置(單位：mm)

圖4 應變測點布置圖（a-a 斷面、e-e 斷面有橫隔板側）（單位：mm）

圖5 有橫隔板側應變測點及編號示意

①aa、ee 截面：最大剪應力、支座沉降；

②bb、cc、dd 截面：頂板、底板、腹板的混凝土應變及撓度變化；

③裂縫觀察測量：是否存在既有裂縫以及新裂縫發展情況。

2.2 采用方法

2.2.1 測點布置

參照橋梁試驗相關規范，通過對設計文件和相關資料的分析，選取5 個試驗截面，并確定測點位置，測點布設如圖2～圖6 所示。

圖6 無橫隔板側應變測點及編號示意（單位:mm）

2.2.2 加載原則

（1）試驗加載按逐級加載方式進行，并準確測出開裂彎矩以及消壓彎矩，得出截面應力應變、撓度隨試驗荷載的變化關系。

（2）試驗應該選擇在溫度變化較小的時段進行，旨在消除溫差對試驗結果的影響。

2.2.3 試驗荷載的確定

計算試驗梁的理論消壓和開裂彎矩，并根據理論結果選取逐級加載重量。

（1）加載位置如圖7 所示。

圖7 加載位置圖

加載重量按公式（1）計算：

式（1）中：M 為理論彎矩；L 為計算跨徑；a 為兩個加載點之間的距離。

（2）理論計算

（a）考慮荷載橫向分布進行計算：

一是由專業軟件計算出邊梁荷載橫向分布系數m=0.58。

二是根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015），取l=38.65m,E=34.5×109Pa,Ic=0.87m4,A=1.16m2(梁跨中截面斷面積),mc=1.16×1×2.6×103=3.02×103kg/m，則：

由于1.5Hz ≤f1≤14Hz,可得沖擊系數μ=0.1767lnf1-0.0157=0.2。

三是取多車道折減系數ζ 為0.78，則傳遞到邊梁的均布荷載：

傳遞到邊梁的集中荷載：

以上集中荷載和均布荷載共同作用下跨中最大彎矩值：

外荷載作用下等效理論加載重量：

（b）根據截面計算

一是梁跨中截面底部應力為零時理論加載重量計算：

消壓彎矩計算：

通過力的平衡，可算出σmax=12.623MPa，M消壓=15479.3kN·m；

自重作用下產生的彎矩計算：

由自重產生的跨中彎矩為M自重=29×38.652/8=5415.1kN·m；

外力產生的彎矩 M外=M消壓-M自重=10064.2kN·m；

則理論加載重量P=785.7kN。

二是梁跨中截面底端開裂時理論加載重量計算：

抗裂彎矩Mcr'=γftkW0，

γ 為截面抵抗矩塑形影響系數，γ=（0.7+120/1600）×1.5=1.16，

ftk取2.64MPa，W0=0.607596m3，

則抗裂彎矩為Mcr'=1864.7kN·m，對應的試驗加載重量為145.4kN，

故梁下緣開裂時總試驗加載重量P=785.7+145.4=931.1kN。

（c）有限元軟件建模計算

試驗梁采用Midas 軟件建模，模型分52 個單元，53 個節點，如圖8 所示。

圖8 Midas 模型

在試驗梁建模過程中，通過計算對比發現，普通鋼筋對梁消壓和開裂彎矩影響可忽略，基于此可得：

跨中截面底端壓應力為零時，對應消壓彎矩為9450kN·m，支座截面產生的剪力為700kN。

跨中截面底端出現裂縫時，對應開裂彎矩為12825kN·m，支座截面產生的剪力為950kN。

（3）選取逐級加載重量

據以上計算，消壓彎矩加載重量為700kN，開裂彎矩加載重量為950kN，試驗過程共分7 個等級逐級加載，1～7 級加載重量P 分別為188kN、344kN、450kN、650kN、850kN、1050kN、1200kN。

2.3 試驗數據

2.3.1 應力測試

按前述試驗步驟進行荷載試驗，并對試驗數據進行統計處理，如表1、表2 和圖9、圖10 所示。

表2 1/4 截面應力實測數據

圖9 跨中截面應力實測數據折線

圖10 1/4 截面應力實測數據折線

根據試驗數據，繪制T 梁在各級加載重量下，主要控制截面的應力分布情況圖，得出結論：一是梁體在開裂之前，其主要控制截面上的應力分布基本隨截面高度呈線性變化，符合平截面假定；二是在最大加載重量下，T 梁截面承受的拉、壓應力最大，跨中截面產生的最大壓應力為-9.3MPa、最大拉應力為16.5MPa，1/4 截面產生的最大壓應力為-8.19MPa、最大拉應力為21.73MPa。

2.3.2 撓度測試

逐級緩慢加載，根據儀表測得梁底撓度，繪制該梁跨中截面在荷載不同等級作用下的荷載—撓度曲線圖，如表3、圖11 所示。

表3 跨中荷載撓度值

圖11 跨中荷載—撓度曲線

通過以上試驗，分析得出：一是在梁體開裂前，隨著各級荷載增加，跨中截面撓度隨荷載彎矩基本呈線性變化，與結構計算理論相符，說明該梁體在彈性范圍工作；二是當試驗彎矩達到4644kN·m(大于設計荷載彎矩3810kN·m)時，跨中最大撓度實測8.15mm，對應撓跨比1/4900，滿足相關規范對剛度1/600 的限值要求。

2.3.3 裂縫觀測

經觀測：在試驗荷載P 加載到約110t 時，梁體跨中附近底部開始產生豎向裂縫，且隨著試驗荷載的逐漸增加，既有裂縫不斷向上發展，同時從跨中附近向支座方向對稱出現新豎向裂縫；當P 達到120t 時，裂縫已經從梁體底部發展到腹板；第一次加載完畢后，在逐漸卸載過程中，當P=70t 時，裂縫閉合；第二次加載到P=70t 時，梁體跨中附近截面底端即出現裂縫。

3 結論

第一，試驗梁的消壓彎矩為9450kN·m，此時試驗荷載P=700kN；

第二，試驗梁的開裂彎矩為14850kN·m，此時試驗荷載P=1100kN；

第三，在設計荷載下跨中撓度小于8.15mm，對應撓跨比小于1/4900，滿足設計指標要求（1/600）；

第四，實測的消壓彎矩與理論值吻合度高見表4，該值相比設計承載力，有較大的安全儲備，說明梁具有足夠的安全性；

表4 理論計算和實測對比數據

第五，裂縫發生及開展的均勻性說明梁的普通鋼筋配置較合理。