面向雙層交通的混凝土箱梁抗彎性能試驗分析

韓麗瓊

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司，湖南 長沙 410000)

1 混凝土箱梁抗彎性能試驗概況

1.1 混凝土性能

選擇的混凝土強度等級為C50標準，其箱型截面梁具有抗彎曲、強度和剛度大的性能，混凝土模型與建筑實際比為1∶8。針對混凝土應用而言，由于采取的施工工藝標準較高，其表面結構平穩工整、外觀形態統一，并且后期養護便利，具有良好的抗震和抗擠壓性能.試驗中，通過取消橫隔板，促使底部與頂板形成平行結構的橋面系統，并且將各試驗部分的混凝土箱梁聯成統一整體，在相應結構進行開孔，以此實現試驗的預期效果。同時，針對混凝土箱梁的通風、采光和消防等要求，有針對性的提升混凝土的應用性能。交通運輸中，混凝土結構性能的穩定性，對箱梁的抗彎折性能產生積極影響，相關人員應充分利用混凝土結構設計這一優勢，在此基礎上，完善并提升交通混凝土的抗彎曲性能，為混凝土結構應用的安全性與穩定性奠定良好基礎。

1.2 試驗準備階段

雙層交通混凝土箱梁抗彎性能試驗，其中混凝土強度等級為C50，鋼筋的選擇為HPB235級別和HRB335級兩種類型，為保證模型結構在試驗階段的穩定性，保證試驗結果真實準確，對箱梁兩端400 mm的位置設計了4個橡膠底座，其中2個用來固定鉸鏈。另外2個用來固定滑動鉸支座。

對抗彎性進行檢測時，利用沙袋砝碼的方式對其進行荷載添加，其中檢測方式大致分為以下3種工況，工況一，將沙袋砝碼全部置于頂板處；工況二，將荷載沙袋砝碼分別放置在頂部和底部；工況三，沙袋砝碼全部放置在箱梁結構的底部。雙層交通混凝土箱梁荷載試驗中，在工況二同時加載頂板和底板時，頂板部分需要通過反力架和260 t型號的油壓千斤頂對中間腹板結構進行集中力加載；而底板部分則需要利用工字鋼梁和螺栓錨桿對邊腹板梁進行集中力加載檢測。

1.3 試驗測試方案

雙層均布荷載作用下，為有效測試模型箱梁截面頂板的變化情況，對其中的4個截面進行了混凝土應變片的布置，并且在箱梁兩端的支座布置雙向對稱的百分表。受彎試驗的測試方案是將箱梁的開孔截面，即3/8跨截面為測試的基礎面，并分別在兩個截面上設計相應的應變片，以此為參照對象，對鋼筋和混凝土進行必要的抗彎曲檢測，在此過程中，應在箱梁的兩端支座、箱梁1/4跨、1/8跨以及4～4截面的底部雙向對稱布置百分表。此外，還需要在4～4跨中截面頂板架設百分表，開展對箱梁頂板彎度的測試工作。

2 抗彎性能試驗結果和分析

2.1 均布荷載作用下試驗結果

(1)剪力滯的橫向分布

雙層交通混凝土箱梁各控制處截面的分布規律明確如下，經檢測發現箱梁各截面的在工況一、工況二和工況三的作用下，其下腹板和頂板交接處剪力滯系數，均大于1，該結果表明頂板截面在均布荷載的條件下，無論是荷載作用在任何位置，其表現的規律均為正向的剪力滯后現象。

(2)剪力滯系數變化規律

對試驗階段交通橫梁不同工況條件下的同一截面的剪力滯現象和同一荷載工況下剪力滯沿梁跨方向的變化規律進行分析。其結果如下，雙層布荷載作用下，沿著簡支箱梁縱向方向到支座部分的剪力滯系數由跨中1.128增加到箱梁八分之一跨截面1.233；而在工況二的條件下，剪力滯系數由原來的1.108增加至1.185；工況三作用下，剪力滯系數則增加至1.145，其原來的系數為1.086 5，其增加效果更加明顯。結果表明在工況一，均布荷載的作用下雙層交通箱梁中，剪力滯系數變化幅度最小，而距離支座部分越近其剪力滯變化幅度越大。

(3)剪力滯數據分析

試驗數據發現，跨中截面在均布荷載作用下，其中工況一的剪力滯系數1.233，其底板部分為1.125；而工況二條件下，相關數據發生了變化，其中頂板的剪力滯系數為1.108.底板系數為1.106；而工況三的作用下，其頂板的剪力滯系數的為1.088，底板為1.079。數據表明無論是何種工況條件下，其中底板的剪力滯系數略小于頂板剪力滯系。結果表明，荷載作用位置不同，對箱梁截面的剪力滯效應不夠明顯，并且其影響剪力滯的實際效用。并且經過分析發現，將荷載全部用于頂板抗彎曲測試時，各截面頂部、底板的剪力滯效應比較明顯；而當荷載作用在地板時各控制截面頂和底板的建立滯效應較小；而當荷載同時作用于頂板和底板時，剪力滯效應居中。因此，在對雙層交通混凝土箱梁進行設計時，應充分考慮剪力滯效應，并將其應用在頂板設計中。

2.2 雙層集中加載試驗

(1)撓度曲線

雙層結構交通混凝土箱梁試驗中，對跨中截面頂板進行了位移測試，其中對試驗結果進行分析，發現其頂板的位移情況與荷載-撓度曲線基本吻合，試驗箱梁在雙層集中壓力荷載下，其擾度曲線的特征表現如下：第一段，為直線形狀，直到混凝土開裂荷載階段為止，該階段是在混凝土開始出現裂紋前，對相關結構施加荷載值不超過1 000 KN標準的力，此時，荷載值與撓度值呈現出明顯的線性關系，并且處于彈性工作階段。第二段，為近似直線段，該階段主要的工況表現為混凝土在荷載的作用下出現開裂直到工況條件屈服荷載為止，并且相關參數表現為彈性與塑型結合；第三階段，為近似水平階段，此時工況條件為屈服荷載到極限荷載，此時的外部荷載值高達2 400 KN以上。在此過程中，普通鋼筋在持續受力的情況下，達到屈服狀態，并且其跨中撓度明顯增加，將載荷力度增加至2 800 KN，跨中撓度達到最大值為36.55 mm，而裂縫寬度達到試驗破壞的預期值2.0 mm，此時需要終止試驗。

(2)試驗中應力變化情況

試驗中，對雙層交通混凝土箱梁模型進行了截面頂點的應力變化情況進行試驗和檢測，以荷載應變曲線對變化情況進行分析。其應變曲線特征表現為圖1。

圖1 雙層集中荷載下頂板跨中應變曲線

通過對圖2分析可知，曲線大致分為三個階段：第一階段，為試驗混凝土出現開裂前，此時對其進行荷載力的設計為0～1 000 KN，此時試驗構建處于基本彈性的工作狀態，此時內外荷載引起的最大應變值為120 με；第二階段為試驗中箱梁模型混凝土出現開裂后，其荷載的加載值為1 000 KN以上，2 500 KN以下，此時應力發生重分布，并且對頂板壓力承受區部分應力持續增加；第三階段，受到拉伸的鋼筋屈服后，與之連接部分的混凝土應變壓力增加，在極限負荷狀態下，其壓力值應變值表現在1 200 με附近，該數值遠未達到2 000 με的混凝土極限壓應變值，這說明混凝土的極限強度未能得到充分發揮，然而鑒于混凝土箱梁底板的裂縫最大值，已經到達2.0 mm臨界點，則認為箱梁頂板抗彎曲性能試驗結束。

針對雙層交通混凝土箱梁底板的抗彎曲性能試驗而言，也需要對其跨中應變曲線的特征進行分析，其監測曲線也可分為三個階段，并且每個階段的特征差異明顯，需要對其進行具體說明。

第一階段，當加載值小于等于1 000 KN時，其荷載與鋼筋的應變基本呈現出線形相關的狀態，此時在達到混凝土開裂前，鋼筋結構的最大應變值為300με，對應的鋼筋應力變化數值為60 MPa；第二階段，為試驗箱梁混凝土開裂后，此時，荷載值大于1 000 KN，底板的應力發生重分布，屬于非線性的關系，并且鋼筋的應變數值增加速度變快，當鋼筋加載值達到2 500 KN時，鋼筋的應變值達到2 100 με，其對應的鋼筋應力變化值為420 MPa，此時，趨近于鋼筋屈服點。第三階段的荷載值超過2 500 KN后，試驗混凝土箱梁進入極限破壞狀態，此時受力鋼筋的應變數值迅速增加，試驗構件處于破壞的臨界點，試驗結束，完成對雙層交通混凝土箱梁結構抗彎性能的檢驗。通過試驗，得出以下結論：綜上所述，通過試驗結果，對混凝土試驗箱梁的開裂載荷與極限載荷進行了分析與研究，并且測得試驗的全過程撓度曲線，通過對曲線特征的分析得到，曲線分為明顯的三段，分別是彈性階段、彈塑性階段和最終破壞階段。

3 結 論

綜上所述，雙層混凝土箱梁在彈性工作狀態下，不同工況均存在載荷作用的影響，并且其剪力滯后現象明顯但是彼此不同，其中以頂板結構中的剪力滯后效應最為明顯，因此需要在剪力滯效應下，考慮不同工況條件下的設計方案，并且將荷載值作為頂板設計的主要標準。