公路橋梁預應力空心板梁靜載試驗研究

陳小英

（山西晉通公路工程監理有限公司，山西 晉城 048000）

預應力空心板梁構造簡單、施工工藝簡單，在小跨徑橋梁施工中得到了廣泛應用。通常，預應力空心板梁都采用預制后運送到施工現場架設的方式施工，不僅可以保證施工質量，還可以節約施工成本。為了保證預應力空心板梁的施工質量，架設施工前開展單梁靜載試驗，分析評定梁體施工質量，進而進行橋梁承載力評定。依托高速公路大橋預應力空心板梁施工項目，在施工過程中開展單梁靜載試驗，收集數據分析梁體應力、撓度和裂縫檢測結果，作為梁體施工質量的判斷依據。

1 公路橋梁預應力空心板靜載試驗承載力評定

靜載試驗是評定橋梁承載力最常用的方法，在國內外橋梁檢測中得到了廣泛的應用[1]。調查確定橋梁預應力空心板外觀尺寸、結構組成，通過施加試驗性荷載，并參照試驗空心板截面應力、位移（撓度）、裂縫等結構性能參數，分析試驗數據確定橋梁在運營使用過程中的工作狀態，確定橋梁結構的強度和穩定性，對橋梁承載能力進行評定。

根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/TJ21-01—2015）中的相關規定，采用靜載試驗對橋梁承載力進行評定應從以下幾個方面進行分析。

1.1 測點校驗系數η

測點校驗系數η是評定橋梁結構工作狀態和橋梁承載力的重要指標。通過靜載試驗測量規定荷載作用下橋梁結構的彈性位移（或應變），實際測量值與理論計算值的比值即為校驗系數[2]，計算公式如式（1）：

式中：Se為規定試驗荷載作用下橋梁結構的彈性位移（或應變）的實際測量值；Ss為規定試驗荷載作用下橋梁結構的彈性位移（或應變）的理論計算值。

測點校驗系數η越小，說明橋梁結構越安全。當η≤1時，說明理論計算值偏安全，橋梁結構安全，處于彈性工作狀態，且工作狀態良好。然而，測點校驗系數η過大或過小對橋梁結構設計也是不利的[3]。當測點校驗系數η過大時，橋梁各組成結構的強度不足，各組成部分連接性能較差，可能造成結構剛度不足；當測點校驗系數η過小時，橋梁各組成結構的強度和彈性模量均較大，預應力空心板梁與鋪裝層、人行道等共同受力，計算方法或計算圖式過于偏安全等。對預應力空心板梁橋，應變（或應力）校驗系數取值范圍為0.6～0.9，撓度校驗系數取值范圍為0.7～1.0。

1.2 實際測量值與理論計算值的關系曲線

橋梁結構的彈性位移（或應變）的理論計算值存在一定的線性關系，實際測量值也應該具有一定的線性關系，并與理論計算值成正比。如實際測量值關系曲線接近一條直線，說明橋梁結構處于良好的彈性工作狀態。

1.3 測點的相對殘余位移（或應變）ΔSp

式中：St為總位移（或應變）；Sp為殘余位移（或應變）。

橋梁試驗測點在荷載作用下，ΔSp計算值越小，說明橋梁結構的工作狀態越接近彈性工作狀態[4]。按照規范要求，ΔSp計算值應小于20%，超出規定值時應查明原因，如果是由于橋梁結構強度不足導致的，應在評定時適當降低橋梁承載力。

1.4 靜載試驗注意事項

在施工現場進行靜載試驗，應嚴格按照試驗方案開展試驗，從小到大進行加載。試驗過程中對測點處的位移（或應變）進行記錄，如發現局部有開裂情況，立即停止加載或卸載[5]。另外，終止試驗的情況還包括以下幾類：

a）測點位移（或應變）實際測量值超出檢算控制值和規范規定值，應終止加載試驗。

b）試驗過程中發現表面裂縫的寬度超出規范允許縫寬，且不斷增加，會降低結構使用壽命，應終止試驗。

c）試驗過程中墩臺變位超限，且結構不穩定，應終止試驗。

d）試驗過程中出現其他破壞，會降低橋梁承載力，影響正常使用，應終止試驗。

2 預應力空心板梁靜載試驗方案

2.1 依托項目概況

連霍高速公路王家嶺大橋，設計采用6×20 m簡支空心板梁橋。橋梁設計荷載等級為公路Ⅰ級，上部結構選用20 m后張法預應力鋼筋混凝土空心板梁。橋梁下部結構采用雙柱式橋墩臺，樁基礎為鉆孔灌注樁。預應力空心板梁混凝土標號為C50，板高0.95 m。墩臺混凝土標號為C30，鉆孔灌注樁基礎為C25混凝土，預應力鋼絞線標準強度為1 860 MPa，橡膠支座。

為了檢驗預應力空心板梁設計與施工質量，確定梁體的工作狀態，檢驗橋梁承載力，對空心板梁開展靜載試驗。在試驗過程中記錄各測點在規定試驗荷載作用下橋梁結構的應力和撓度，與理論計算值對比分析，為確定橋梁結構承載力提供數據參考，進而修正設計，確保橋梁安全使用。

2.2 確定試驗荷載

由于單梁還沒有完成施工，橋梁鋪裝層、護欄等結構荷載采用設計荷載進行計算。本項目20 m預應力空心板靜載試驗荷載根據跨中截面彎矩等效的原則確定，將橋梁運行過程中設計荷載與二期恒載作為控制荷載，將換算后的集中荷載或均布荷載作用在單梁上，確定試驗荷載。通過分級加載，測量空心板梁結構的應力和撓度，分析確定預制梁施工質量，進而進行承載力評定。選取中梁試驗結果進行分析，靜載試驗荷載數據如表1所示。

表1 靜載試驗荷載數據表

2.3 測點布置

2.3.1 應力測點布置

通過對空心板梁進行分析計算，應力測量斷面設置在板梁L/2截面、L/4截面，應力測點在梁體底部對稱設置2個測點，在梁體兩側分別對稱設置3個測點，測點和斷面布置如圖1所示。

圖1 應力和撓度測點布置斷面圖

2.3.2 撓度測點布置

撓度測量斷面設置在板梁L/2截面、L/4截面，撓度測點為板梁兩側支座位置，每個測量斷面和測點處分別在梁體底部對稱設置2個測點，測點和斷面布置如圖1所示。

2.4 靜載試驗

圖2 靜載試驗加載裝置示意圖

圖3 靜載試驗現場加載試驗圖

本項目空心板靜載試驗采用液壓千斤頂加載，并利用配載梁提供反力，加載裝置如圖2和圖3所示。為了保證試驗安全，靜載試驗分5級加載，加載效率如表1所示，分兩級卸載，分別為-50%、-100%。為了消除塑性變形，正式進行試驗前先進行預壓，預壓加載量為總加載荷載的80%。加載后梁體內部的變形和內力需要經過一段時間方可穩定，穩定時間不得少于5 min，因此每次加載后應待測量儀器讀數穩定后方可讀數。每級加載后采集數據，記錄應力、撓度實際測量值，同時對梁體表面的裂縫出現與發展情況進行觀察。

3 靜載試驗結果分析

本項目試驗梁選取5-3中梁，靜載試驗分級加載過程中對跨中截面應力、撓度進行檢測，并對梁體表面裂縫進行觀測。收集數據，對試驗結果進行分析，評價預應力空心板施工質量和橋梁承載力。

3.1 跨中截面應力試驗結果分析

跨中截面受力選取本項目5-3中梁跨中截面梁底混凝土應力靜載試驗檢測結果作為研究對象，檢測數據如表2和表3所示，梁底混凝土應力測試曲線如圖4所示。

表2 試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土應力檢測值

表3 試驗梁5-3跨中截面殘余應變分析結果

圖4 試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土應力測試曲線

分析表2、表3數據和圖4曲線，5-3中梁跨中截面梁底混凝土應力實際測量值均小于理論計算值，校驗系數η分布范圍為0.79～0.82，滿足規范要求，說明梁體具有足夠的安全儲備。卸載后相對殘余位移均小于20%，應力檢測結果說明梁體變形應力滿足規范要求。

3.2 跨中截面撓度試驗結果分析

試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土撓度檢測結果如表4所示，測試曲線如圖5所示。

表4 試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土撓度檢測結果

圖5 試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土撓度測試曲線

分析表4數據和圖5測試曲線，試驗梁5-3跨中截面梁底混凝土撓度實際測量值均小于理論計算值，校驗系數η分布范圍為0.85～0.88，說明梁體結構剛度滿足設計要求。結合表3數據，卸載后相對殘余位移均小于20%，撓度檢測結果說明梁體撓度變形滿足規范要求。

3.3 裂縫觀察

在對試驗梁5-3進行靜力加載試驗過程中，在每一次加載后對梁體外觀進行觀察。未發現梁體表面出現開裂，也沒有出現其他異常情況，說明梁體結構穩定，滿足抗裂性要求。梁體總體結構未出現肉眼可見的結構裂縫，說明預應力空心板滿足A類構件的要求。

3.4 綜合分析

通過對試驗梁5-3跨中截面應力、撓度、殘余應力、殘余撓度等指標的檢測結果進行統計分析。結合上述應力、撓度檢測結果，均滿足規范要求。靜載試驗完成后，卸載后殘余應力為0.68 MPa，跨中截面應力實際檢測最大值為3.71 MPa，計算二者比值S'PY=0.68/3.71=0.183，滿足規范要求的S'PY≤0.20。卸載后跨中截面殘余撓度為-1.39 mm，跨中截面撓度實際檢測最大值為-8.71 mm，計算二者比值S'PR=（-1.39）/（-8.71）=0.160，滿足規范要求的S'PR≤0.20。綜上所述，試驗梁5-3靜載試驗結果表明，梁體強度、剛度、抗裂性滿足規范要求。

4 結語

通過對王家嶺大橋預應力空心板梁開展靜載試驗，采集各分級加載階段測點應力、撓度，并觀察梁體表面裂縫，進行數據分析，得出以下結論：

a）試驗梁應力實際測量值均小于理論計算值，檢驗系數均滿足規范要求，卸載后相對殘余位移均小于20%，說明梁體變形應力滿足規范要求。

b）試驗梁撓度實際測量值均小于理論計算值，檢驗系數滿足規范要求，且卸載后相對殘余位移均小于20%，說明梁體撓度變形滿足規范要求。

c）靜載試驗各階段未發現梁體表面出現裂縫，結合應力和撓度的監測結果，說明梁體施工質量滿足規范要求。