超期存放預制空心板梁可靠度評估分析

葉 洪

(福建省永正工程質量檢測有限公司,福建 福州 350012)

預制板梁結構具有可平行施工、集中批量生產、節省施工成本等優點,常用于中小跨度橋梁,預應力技術既可以減輕橋梁重量,又可以避免公路混凝土出現裂縫,所以在公路橋梁施工中得到廣泛的應用[1]。在實際工程中,由于施工管理、設計變更、不可抗力等因素影響,可能造成預制梁未能及時吊裝而超期存梁,其力學性能較原設計會發生較大變化,影響工程項目質量和后期施工。因此,有必要對超期存梁進行可靠度評估分析,確保成橋安全。本文以某實際工程中超期存放的預制預應力空心板梁為研究背景,結合目前的檢測評估手段,制定完整的評估方案,并根據結果對預制梁存放、超期存梁的再利用提出一些建議,供類似工程參考。

1 工程概況

原某橋橋梁全長56.60m,橋寬31.00m,橋梁上部結構采用3×16m裝配式預應力混凝土簡支空心板,預制板高0.80m,寬1.24m,原設計荷載等級為城-A級。由于橋梁位于工業園區需通行特種車輛,經變更設計后,原空心板梁預制完成后未吊裝使用,為充分利用已施工舊梁,待建新橋結合原橋梁上部主梁結構進行設計,橋梁上部結構及設計荷載等級不變。但原預制梁已存放12個月左右,超過規范規定的三個月期限,為評價預制梁的結構性能,保證舊梁安全利用,擬對全部預制梁進行可靠性評估。

2 可靠度評估方案

考慮到該批預制梁露天堆放,且未按等效荷載對預制梁進行預壓,經分析可能產生的不利影響后,確定從以下幾個方面進行檢測評估。

2.1 外觀檢測

構件外觀質量的好壞及是否存在外觀缺陷,在一定程度上反映了混凝土結構的內在品質,通過外觀檢測可以初步了解預制梁結構現狀。

2.2 實體檢測

對全部預制梁進行混凝土強度、混凝土碳化狀況、鋼筋保護層厚度進行檢測。通過實體檢測,確認材料特性、退化程度和退化的性質,以及對結構性能和耐久性的影響。

2.3 上拱度檢測

預制預應力梁張拉后,上拱度主要由兩部分產生,一部分是張拉后大于自重的鋼絞線作用力,另一部分是混凝土收縮徐變產生的上拱度,一般情況下混凝土在兩周內完成最終徐變的25%,3個月內完成最終徐變的5O%,一年內完成最終徐變的75%,幾年后就趨于穩定[2]。預制預應力梁存放時間過長,于施加預應力的原因,往往造成預制梁上拱值過大,這樣就會給梁體的預制施工以及橋面鋪裝帶來困難,同時也會使橋面不平順、不美觀,在通車后,力學性能也會受到影響,進而影響到橋梁的安全性和耐久性[3]。因此必須了解該批預制梁的上拱度現狀。

2.4 單梁靜載試驗

預制空心板靜力荷載試驗是檢驗預制空心板結構受力特征的最直接和最有效的方法,主要是測量結構在試驗荷載作用下的撓度和應變,了解試驗梁實際強度、剛度及受力性能,檢驗試驗梁在荷載作用下,各結構響應是否符合規范要求。

3 超期存梁的可靠度分析

3.1 外觀檢測

現場對全部預制梁進行外觀檢測,結果表明,除部分由于養護、施工原因造成的裂縫外,未發現其它典型病害。

3.2 實體檢測

現場對預制梁進行混凝土強度、混凝土碳化狀況、鋼筋保護層厚度檢測,結果表明,該批預制梁的材料特性良好,未發現明顯退化現象,符合設計要求。

3.3 上拱度檢測

現場對全部預制梁進行上拱度檢測,結果表明,該批預制梁上拱度都大于相關規范規定90天的存梁期上拱度計算值。

3.4 單梁靜載試驗

綜合外觀檢測、無損檢測、上拱度檢測結果及預制梁預制時間,為進一步評價超期存梁對承載能力的影響,選取部分具有代表性的預制梁進行單梁靜載試驗。本文以其中一片空心板為例,介紹現場試驗檢測內容、過程及試驗結果分析方法。

3.4.1 實驗工況

根據預制梁的受力特點,試驗時將試驗梁架設在堅硬基礎上,梁體底面離地面約0.8m,臨時支座根據設計支承中心布置,主要檢測項目為在各級荷載作用下試驗梁控制截面(1/4截面、跨中截面、3/4截面)的應變和撓度測量及試驗梁的梁體破損、裂縫情況的觀測。測試斷面如圖1所示,在試驗梁1/4截面、跨中截面、3/4截面梁底布置應變、撓度測點,在兩端支承中心附近布置撓度測點用來修正支座及基礎沉降。

圖1 測點斷面布置示意圖

控制荷載為設計荷載并考慮二期恒載作用的最不利效應組合,本次試驗采用單個尺寸為0.8m×0.8m×1.6m的混凝土試塊進行等效布載。為保證試驗過程安全及與更科學合理的分析比較,本次試驗分四級加載,每次加載約為控制荷載的25%。

3.4.2 數值建模分析

采用有限元軟件Midas Civil分別建立橋梁結構整橋及單梁模型,結構材料特性根據設計資料確定,支座約束按簡支梁設置。根據各工況靜力荷載布置情況,對有限元模型進行加載,實現方法是根據實際加載荷載大小,對梁單元施加節點均布荷載。

3.4.3 試驗數據與數值計算結果對比分析

現場撓度采用百分表進行測量,表1列出了試驗梁在各級荷載作用下各測試截面撓度測點的實測值和理論計算值。各級荷載下試驗梁撓度分布情況見圖2。由于篇幅所限,文中僅給出了跨中截面梁底各級實測撓度與理論撓度比較圖,見圖3,其它斷面類似。

表1 各級試驗荷載下實測撓度與理論撓度比較

注：撓度以向下為正,向上為負。

圖2 各級荷載下各控制截面撓度分布情況

圖3 跨中截面各級荷載下撓度實測值與理論值關系曲線

從表1及圖2～圖3可以看出,試驗梁各控制截面在荷載作用下所檢測點撓度校驗系數符合規范規定的不大于1.00的限值要求[4],且實測撓度與計算跨徑的比值小于規范限值L/600,相對殘余變位小于規范規定的20%限值要求,各測點實測撓度與試驗荷載基本呈線性關系,試驗結果表明試驗梁變形性能良好,處于彈性工作階段,結構剛度符合設計要求。

表2列出了試驗梁在各級荷載作用下各測試截面應變測點的實測值和理論計算值。圖2繪制了各級荷載下試驗梁應變分布情況。圖3給出了跨中截面梁底各級實測應變與理論應變關系曲線。

表2 各級試驗荷載下實測應變與理論應變比較

注：應變以負值為壓應變,正值為拉應變。

從表2及圖4～圖5可以看出,試驗梁各控制截面在荷載作用下所檢測點應變校驗系數符合規范規定的不大于1.00的限值要求,且相對殘余應變小于規范規定的20%限值要求,各測點實測應變與試驗荷載基本呈線性關系,試驗結果表明試驗梁處于彈性工作狀態,結構強度符合設計要求。

3.4.4 關鍵部位異常情況及裂縫觀測

試驗梁在各級荷載試驗過程中,各控制截面和梁體未發現混凝土破損現象,未發現明顯肉眼可見新增裂縫,說明試驗梁在自重、預應力和試驗荷載的共同作用下,控制截面下緣混凝土處于受壓狀態或拉應力小于材料抗拉強度,結構的抗裂性能滿足規范要求。

圖4 各級荷載下各控制截面應變分布情況

圖5 跨中截面各級荷載下應變實測值與理論值關系曲線

綜上所述,試驗梁在設計荷載作用下工作狀態良好,結構強度、剛度及抗裂性能均滿足規范要求。

4 結論與建議

通過對超期存放預制空心板梁進行可靠度評估,得到以下結論和建議：①本批預制梁超期存放雖未對預制梁承載力造成嚴重的影響,但超期存梁造成預制梁上拱度均大于設計控制值,在后期再利用設計、施工中應著重考慮上拱度過大造成的影響,且由于預制梁存放時間過長,在后期施工中也應注意與橋面現澆層由于齡期差別而產生過大收縮差；②預制梁板超期存放后的起拱度隨時間的延長而增大,主要由偏心預加力和徐變效應引起。在預制梁存放期,應加強其養護工作,并對預制梁上拱度進行觀測,必要時應根據等效代換原則對預制梁加載預壓,控制預制梁板起拱過大問題；③成橋后應進行橋梁靜動載試驗,根據實測荷載橫向分布系數評定橋梁橫向傳力性能,分析橋梁的橫向聯系及各片預制梁的工作狀態,綜合判定成橋后橋梁結構整體承載能力。

[1]張彥山.公路橋梁施工中預應力技術探討[J].江西建材,2016(06)：238.

[2]秦飛.淺析先張法預應力混凝土空心板梁反拱度理論值與實測值之差異[J].公路.2015(10)：27-29．

[3]李暢.預制混凝土梁反拱度設置理論和控制技術研究[D].哈爾濱工業大學,2012．

[4]JTG/T J21-2011公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].2011．