在役空心板單梁破壞試驗分析

孫粉粉

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

鋼筋混凝土空心板梁橋是我國中小跨度橋梁中廣泛采用的結構形式之一［1-2］。隨著公路通行能力和服務水平不斷提高，對服役橋梁的各項性能提出了更高的要求，而在外界諸多不利因素的長期影響下，服役橋梁病害逐漸增多，損傷程度不斷加深，結構性能逐漸退化［3-4］。唐昌輝等借助破壞試驗分析了無黏結預應力鋼筋混凝土梁的抗彎承載力，高迪等對配置高強不銹鋼的鋼筋混凝土梁進行了抗彎承載能力破壞試驗研究［5-7］。上述研究均通過承載能力極限狀態下破壞試驗的開展對試驗對象的受力性能進行分析，但所采用的均為縮尺試驗構件，該類構件制作相對簡單，且便于開展各類參數分析，但難以對橋梁結構構件實際服役過程中的各類隨機性因素進行全面考慮。研究通過對濟青高速公路服役20 余年的8 m 跨度鋼筋混凝土空心板梁單梁破壞性加載試驗，得出現有狀況下的極限承載力，為設計、加固、養護和檢修提供參考［8］。

1 實體梁概況

濟青高速8 m 的空心板橋原設計板厚為40 cm，后橋面鋪裝經改造加鋪至17 cm。現場切割過程中，刀具自鉸縫垂直向下切割，切割完成后再對梁板吊運，得到的空心板為包含17 cm 厚混凝土鋪裝及部分鉸縫混凝土的矩形開孔截面，開孔直徑為9 cm，見圖1。8 m 鋼筋混凝土空心板材料采用C25 混凝土，底板布置8 根φ25 mm 的主筋，鋼筋保護層厚度為31 mm。

圖1 空心板橋梁橫斷面（cm）

2 試驗方案及試驗前準備

2.1 試驗方案

選用反力架+千斤頂施加等效荷載的加載方式，在距離跨中1 m 處布置分配梁，采用等彎矩加載，見圖2。梁體撓度、應變布置：（1）撓度：布設在支點截面、L/4、L/2、3L/4 截面，梁板兩側各布置一個，共計10 個測點；（2）混凝土應變：選取跨中截面的左右腹板各布置6 個應變測點，間距10 cm，同時在跨中附近5 cm 處左右腹板再分別布置3 個應變備用測點，底板布置2 個應變測點；（3）鋼筋應變：在跨中底板兩側主筋位置鑿除表面混凝土，露出縱向主筋，在其上粘貼鋼筋應變片。布置見圖3。梁板加載見圖4。

圖2 單梁抗彎試驗加載（mm）

圖3 位移和應變布置

圖4 梁板加載

2.2 試驗前準備

（1）對梁體進行全方位清洗；（2） 對空心板幾何尺寸進行復測；（3）用數字回彈儀對混凝土測強；（4） 用一體式鋼筋掃描儀對受拉主筋的位置、數量及直徑進行復核，并與設計信息進行比較；（5）檢查空心板的初始狀態，將原有裂縫進行測量并做好標記，將兩側腹板劃分為高10 cm、寬10 cm 的矩形網格，作為混凝土表面裂縫的記錄參考坐標系統，可以將試驗進行過程中出現的裂縫描繪在梁上，記錄裂縫出現時相應的荷載大小。同時對試驗梁進行承載力計算，考慮混凝土鋪裝層參與共同受力時跨中截面理論抗彎承載力為530 kN·m，而結構自重在跨中截面產生的正彎矩為113 kN·m。

2.3 試驗終止條件

當試件出現情況之一時，即認為構件破壞［9］：（1）構件的受拉主筋斷裂；（2）彎曲撓度達到跨度的1/50；（3）受拉主筋處裂縫寬度達到1.5 mm 或鋼筋應變達到0.01；（4）彎曲受壓區混凝土受壓開裂、破碎。

3 結果分析

3.1 撓度分析

試驗梁加載后荷載-位移曲線見圖 5，可知隨著荷載增加，跨中撓度增長速率逐漸變大，曲線曲率逐漸變大，當加載至484 kN 時曲線曲率迅速變化，表明普通鋼筋屈服并進入短暫屈服強化階段。當荷載繼續增加，位移劇增，此時荷載持荷基本穩定，當荷載達到529 kN 時試驗梁破壞，此荷載為試驗梁極限荷載。由此得出實測的抗彎極限承載力為746 kN·m，按規范計算所得抗彎承載力為530 kN·m，參照《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）考慮自重的彎矩組合值為437 kN·m，可以得到自重效應后的實測抗彎承載力大概是規范計算抗彎承載力的1.62倍，是彎矩組合設計值的1.97 倍。

3.2 混凝土應變

跨中最頂部混凝土的受力情況，其應變隨荷載變化見圖6。可知，加載階段初期，梁頂混凝土壓應變近似呈線性變化。隨著荷載的增加，當加載至320 kN時，應變增長速率加快，而當加載至483 kN 后，其頂部壓應變反而呈減小狀態，歸因于裂縫沿梁高向上開展，梁頂混凝土受壓區高度逐漸減小。

圖6 混凝土應變-荷載曲線

3.3 鋼筋應變

跨中鋼筋應變-荷載曲線見圖7，加載前期鋼筋應變和荷載基本呈線性變化，當加載至468 kN 時，鋼筋進入屈服強化階段，此時鋼筋應力為361 MPa，之后鋼筋應變劇增，而施加荷載增長率不足10%。

圖7 鋼筋應變-荷載曲線

3.4 裂縫觀測

隨著荷載的增加，試驗梁受拉區不斷出現新裂縫，裂縫不斷向上開展，混凝土應變、鋼筋應變、撓度變形不斷增大，裂縫不斷開展。最終破壞時，裂縫縱向間距約為20 cm，基本出現在箍筋位置，裂縫最大寬度約2.0 mm，在腹板向上延伸最大長度46 cm，破壞后的裂縫展開圖見圖8。

圖8 梁破壞后梁體裂縫分布（cm）

4 結語

（1）空心板破壞試驗所得到的跨中撓度-荷載曲線呈明顯的兩折線變化規律，實測抗彎承載力大概是規范計算抗彎承載力的1.62 倍，是彎矩組合設計值的1.97 倍。（2）破壞試驗過程中，距離梁底較高的混凝土壓應力呈現先增后減的趨勢，該變化主要是由于裂縫沿梁高向上不斷開展，梁頂混凝土受壓區高度逐漸減小。（3）梁體損傷開裂后裂縫分布較為規律，縱向間距約為20 cm。最終破壞時，裂縫最大寬度約2.0 mm，在腹板向上延伸最大長度46 cm。（4）由于鋼筋經歷較大的塑性變形階段，構件破壞前有較為明顯的預兆，隨之引起裂縫急劇開展和梁撓度的增加，整個破壞過程相對緩慢。