預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋結(jié)構(gòu)的受力分析

李勝龍 李立君 蘇笮斌 謝春陽 羅濤 何夕成

1.四川鐵科新型建材有限公司 四川 成都 610404

2.四川巨星新型材料有限公司 四川 成都 611731

1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋結(jié)構(gòu)的受力性能試驗(yàn)

1.1 工程概述

天津—石家莊高速公路起于石家莊市，至于天津市，津冀界至保石界主線長169.8公里。由于該項(xiàng)目部分路段地處交通閉塞，自然條件較差，施工難度大，需要通過修建橋梁的方式來溝通高山峽谷兩端的道路[4]。所研究的橋梁為混凝土結(jié)構(gòu)，總長394m，如圖1所示。

圖1 橋梁示意圖

1.2 試件及材料

仿照圖1中所示大橋的梁橋結(jié)構(gòu)，制成應(yīng)力分析所需要試件，該試件制作的材料與實(shí)際大橋梁橋結(jié)構(gòu)的澆筑材料一致，具體如表1所示[5]。

表1 試件（梁橋結(jié)構(gòu)）制作材料

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋結(jié)構(gòu)的受力性能試驗(yàn)所需要的相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備如2所示。

1.4 試件制作

基于表2給出的梁橋結(jié)構(gòu)制作材料，在表2中部分設(shè)備的幫助下，制成試件。具體過程如下：

表2 試驗(yàn)設(shè)備表

步驟1：設(shè)計(jì)混凝土配合比。適配配合比采用參考津石高速津冀界至保石界六分部1#拌合站C50混凝土配合比。

步驟2：利用混凝土配料機(jī)，按照表4進(jìn)行C50混凝土配料；

步驟3：基于混凝土攪拌機(jī)，對C50混凝土材料進(jìn)行攪拌。

步驟4：測量混凝土的坍落度和擴(kuò)展度，判斷是否均小于對比組的坍落度和擴(kuò)展度。若小于對比組，進(jìn)入下一步；否則，需要提高高性能減水劑的摻量[6]。

步驟5：將混凝土漿液裝入鋼筋網(wǎng)模具當(dāng)中。

步驟6：利用振搗機(jī)振搗成型，并養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，并測試混凝土梁橋結(jié)構(gòu)試件的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)滿足抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，完成混凝土梁橋結(jié)構(gòu)試件制備，并等待下一步受力性能測試。否則，需要重新進(jìn)行制備[7]。

1.5 預(yù)應(yīng)力加載制度

預(yù)應(yīng)力是指預(yù)先施加的壓力，目的是測試其受力性能，保證正式投入使用后的整體結(jié)構(gòu)性能。預(yù)應(yīng)力加載制度則是指預(yù)應(yīng)力隨著時(shí)間的推進(jìn)而逐步施加的荷載數(shù)值[8]。具體如表3所示。

表3 預(yù)應(yīng)力加載制度

直至加載到N級荷載，試件被破壞，停止應(yīng)力加載。

1.6 受力性能測試

基于表3加載制度，在西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)中心測試應(yīng)力增加下的試件受力性能。受力性能測試包括三個(gè)指標(biāo)，即撓度、應(yīng)變以及承載情況[9]。下面進(jìn)行具體分析。

（1）撓度測試

撓度，即構(gòu)件（如梁、柱、板等）受到外力時(shí)發(fā)生彎曲變形的程度。針對這一參量，采取的測量方法為撓度計(jì)法，該方法優(yōu)點(diǎn)是測試精度高，測試數(shù)據(jù)可靠，自動化采集數(shù)據(jù)[10]。該方法測試所需要的設(shè)備為BTS-58-C226旋臂撓度計(jì)，其包括三套帶夾具旋臂，三根20m銦鋼線，三個(gè)25×0.01mm百分表， 三個(gè)鉛錘和一個(gè)攜帶箱。撓度測量過程如下：

步驟1：將一個(gè)可伸縮的魚鉤固定在混凝土梁橋結(jié)構(gòu)試件的下側(cè)。

步驟2：將帶孔的小盤用銦鋼線穿上系上結(jié)，將小盤掛在魚鉤上。

步驟3：將銦鋼線的另一端系上鉛錘，這樣就可使其接觸到被測物下的地面。

步驟4：將夾具裝在穩(wěn)定的金屬或其他適當(dāng)?shù)財(cái)R置在地面上時(shí)較穩(wěn)的支持物上。

步驟5：將百分表的滑動桿插入配套的夾具內(nèi)并扭緊，這樣百分表就可處于垂直方向。

步驟6：取出帶隱蔽孔的方形棒，并將其通過隱孔固定在百分表滑動桿的上部，再取出另外一根帶明孔的方形棒，固定在滑動桿的下部。兩根棒子應(yīng)相互平行[11]。

步驟7：取出銦鋼線，將其穿過兩根方型棒的內(nèi)部接點(diǎn)，將兩根方型棒的位置固定在各自的固定螺栓上，這樣，這兩根棒子就被緊緊地綁在銦鋼線上[12]。

步驟8：此時(shí)該系統(tǒng)已準(zhǔn)備讀數(shù)，實(shí)際頂梁撓度會在移動百分表的滑動桿時(shí)得出撓度測量結(jié)果。

梁橋結(jié)構(gòu)不同部位承受的預(yù)應(yīng)力不同，所以撓度計(jì)算公式也不同，具體如下：

梁橋結(jié)構(gòu)跨中撓度計(jì)算公式

梁橋結(jié)構(gòu)跨兩端撓度計(jì)算公式

梁橋結(jié)構(gòu)跨節(jié)點(diǎn)撓度計(jì)算公式

（2）應(yīng)變測試

應(yīng)變是指隨著應(yīng)力的施加結(jié)構(gòu)局部的相對變形情況，即形變量與原來尺寸的比值。針對這一參量，采取的測量方法為應(yīng)變儀法，該方法優(yōu)點(diǎn)是測試穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測試[13]。該方法測試所需要的設(shè)備為若干個(gè)應(yīng)變片和JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀。

應(yīng)變測試具體過程如下：

步驟1：應(yīng)變測點(diǎn)方案設(shè)計(jì)。

步驟2：將應(yīng)變片粘貼到混凝土梁橋結(jié)構(gòu)試件表面，并通過環(huán)氧樹脂進(jìn)行脫落防護(hù)；

步驟3：按照表3，利用500t油壓千斤頂對試件試件施加應(yīng)力，同時(shí)應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)。

步驟4：將應(yīng)變片采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄軕?yīng)變儀中，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

應(yīng)變值隨著預(yù)應(yīng)力的變化而變化，因此二者存在一定的映射關(guān)系。二者關(guān)系表達(dá)式如下：

由此得出應(yīng)變計(jì)算公式：

其中，

受到溫度的影響，混凝土在長期應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時(shí)間而持續(xù)增長的特性，因此在應(yīng)變計(jì)算時(shí)，有時(shí)需要將徐變系數(shù)考慮在內(nèi)。計(jì)算公式如下：

由此對公式（7）進(jìn)行修正，得到

（3）承載測試

承載測試包括裂縫觀測以及極限承載力測試。針對前者，對混凝土梁橋結(jié)構(gòu)試件產(chǎn)生的裂縫在肉眼觀察的基礎(chǔ)上，可以通過裂縫放大鏡、裂縫對比板等儀器設(shè)備進(jìn)行輔助觀察。針對后者，通過下述公式計(jì)算得出。

其中，

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土梁橋結(jié)構(gòu)撓度分析

基于撓度測試流程對混凝土梁橋結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行撓度值分析。結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，從開始加載到100t應(yīng)力時(shí)該混凝土梁橋結(jié)構(gòu)的撓度雖然在降低，但是降低量并不大，說明該時(shí)期橋梁剛度較大，抵抗變形能力較強(qiáng)，但隨著預(yù)應(yīng)力的不斷增大，增大到220t時(shí)，應(yīng)力與撓度仍大致呈線性關(guān)系，應(yīng)力下?lián)隙热阅茌^大幅度恢復(fù)，但是在之后撓度開始大幅度降低，說明內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷，試件已經(jīng)達(dá)到破壞階段，梁橋結(jié)構(gòu)的撓曲變形已經(jīng)相當(dāng)明顯。

2.2 混凝土梁橋結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析

基于JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀，分析得出的預(yù)應(yīng)力與混凝土梁橋結(jié)構(gòu)應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 混凝土梁橋結(jié)構(gòu)應(yīng)變值

從表4中可以看出，應(yīng)變值的變化大致可以劃分為三個(gè)階段，具體如下：

（1）20t～120t彈性階段：預(yù)應(yīng)力與應(yīng)變之間呈現(xiàn)正向直線關(guān)系，即隨著預(yù)應(yīng)力增大，應(yīng)變也在增大。

（2）120t～200t彈塑性階段：應(yīng)力與應(yīng)變之間的直線關(guān)系被破壞，說明開始出現(xiàn)屈服。如果卸載，試件的變形只能部分恢復(fù)。

（3）200t～260t破壞階段：隨著預(yù)應(yīng)力增大，應(yīng)變在大幅度降低，說明試件已經(jīng)完全變形，出現(xiàn)較大的裂縫或者斷裂，變形已經(jīng)無法恢復(fù)，進(jìn)入該階段的混凝土梁橋結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去安全性。

2.3 承載測試

在不斷施加預(yù)應(yīng)力過程中，混凝土梁橋結(jié)構(gòu)試件在預(yù)應(yīng)力達(dá)到200t時(shí)，出現(xiàn)很大的裂縫，肉眼可見，這時(shí)該混凝土梁橋結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到承載極限，無法繼續(xù)發(fā)揮其功能。

3 結(jié)束語

綜上所述，受到地形、地勢的影響，道路交通在建設(shè)過程中經(jīng)常遭遇阻礙，無法繼續(xù)下去，除了修建隧道解決凸起障礙外，橋梁的修建無疑是解決了峽谷、河流等凹陷區(qū)域的障礙，實(shí)現(xiàn)了交通道路的跨越。然而，本橋梁本身的架空性，使得其結(jié)構(gòu)在經(jīng)過多年荷載作用后發(fā)生變形等問題。針對上述問題，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋結(jié)構(gòu)的受力分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在研究中，以津石高速津冀界至保石界六分部的橋梁項(xiàng)目為例，通過試驗(yàn)分析，明確了其梁橋結(jié)構(gòu)的受力特征，為該橋梁后期維護(hù)奠定了基礎(chǔ)。然而，本研究仍具有改進(jìn)的地方，即僅進(jìn)行了靜態(tài)預(yù)應(yīng)力下的受力分析，未進(jìn)行動態(tài)預(yù)應(yīng)力下的受力分析，研究存在一定的局限性，因此有待進(jìn)一步深入研究。