裝配式小箱梁缺陷修復后單梁靜載試驗及承載能力分析

陳耀輝

(1.河北瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050091； 2.河北省道路結構與材料工程技術研究中心 石家莊市 050091)

目前，預制裝配式混凝土橋梁施工以其建造速度快、建設資源節約、降低自然環境、既有交通與施工的相互干擾、提升建設質量等優點，逐步在橋梁施工中得到廣泛應用。預制梁在梁場預制施工完成、吊裝施工前，其施工質量和實際受力性能是否滿足設計要求，通常通過現場單梁靜載試驗，對試驗荷載作用下梁體的應變、撓度、裂縫等關鍵指標試驗結果進行充分分析，評判其包括強度、剛度、抗裂性能等實際工作狀態以及其施工質量能否滿足設計要求[1]。

1 工程概況

某橋上部結構采用(5×30+(30+35+30)+18×(4×30))m裝配式預應力混凝土小箱梁，先簡支后連續體系，每幅橫向布置4片梁，預制中梁寬240cm，預制邊梁寬274cm，30m箱梁梁高160cm，每道現澆橋面板垂直寬74cm，采用C50混凝土，按預應力混凝土A類構件設計。橋梁全寬25.50m，橋面鋪裝采用12cm C50防水混凝土+12cm瀝青混凝土。設計荷載等級為公路—Ⅰ級。

圖1 1/2跨中標準橫斷面示意圖(單位：cm)

其中，右幅4×30m聯跨的中跨中梁在澆筑施工過程中，近L/4處腹板出現漏振空洞缺陷兩處，S=0.7×0.2、0.8×0.15m2，且箍筋、PVC波紋管外露。后利用自制配合比的混凝土對缺陷部位進行了封堵修復。為在確保工程質量安全的前提下減少工程損失，對該施工缺陷修復后的小箱梁進行單梁靜載試驗，檢驗其實際受力狀態，綜合評價缺陷修復后的小箱梁承載能力是否滿足設計及規范要求。

圖2 試驗梁近L/4處腹板漏振空洞缺陷修復前情況

2 試驗加載與測試方案

2.1 試驗控制荷載計算分析

本次單梁靜載試驗控制荷載，按照跨中控制截面內力等效原則，進行計算分析，即不考慮施工過程，以成橋連續體系為基準，將設計荷載(濕接縫、現澆層、護欄、橋面鋪裝等二期恒載和考慮沖擊系數的車道荷載)作用于試驗梁體上，計算分析其試驗控制荷載作用下控制截面內力，跨中截面控制彎矩為2605.45kN·m。

圖3 試驗梁聯跨成橋狀態計算分析模型

2.2 試驗荷載及加載方法

本次試驗依據彎矩等效原則，采用兩點集中力進行試驗加載[1-3]，縱向加載間距為2.0m。根據工地現場條件，試驗采用配重梁和千斤頂反力加載，滿載時千斤頂荷載2P為420kN，跨中試驗彎矩計算值為2646kN，荷載效率為1.02。試驗荷載布置示意圖及計算簡圖如圖4、圖5所示，加載歷程及相應的荷載效率如表1所示。

表1 試驗荷載加載歷程及荷載效率表

圖4 試驗荷載布置示意圖(單位：cm)

圖5 試驗荷載加載計算簡圖(單位：cm)

試驗加載要點：

(1)測試斷面及測點放樣，傳感器布置，連接儀器設備，采集系統開機調試，檢查各個系統工作是否正常。

(2)試驗加載裝置就位，注意各試驗裝置中線對中、調平，避免出現偏載。

(3)試驗加載前對試驗梁進行預加載試驗。

(4)正式試驗加載分為4級加載，1級卸載。試驗加載時間間隔應滿足結構反應穩定的時間要求，分級加載的穩定時間不應少于5min。

(5)加載過程中實時觀察結構狀態，觀察各部位是否產生新裂縫，結構是否產生不正常的響聲，基礎臺座是否發生搖晃現象等。

(6)當試驗過程中，若出現控制截面應變或撓度超過計算值、結構裂縫的長度、寬度或數量明顯增加、實測變形分布規律異常、梁體發出異常響聲或其他異常情況等情況，應停止加載，查清原因，采取措施后再確定是否進行試驗。

2.3 試驗內容及測點布置

針對試驗梁結構受力特點及梁體缺陷部位，靜載試驗的主要試驗內容[4]：

(1)試驗梁在各級荷載作用下的梁體撓度測試。

(2)試驗梁在各級荷載作用下跨中、近L/4缺陷區截面的應變測試。

(3)試驗過程中試驗梁梁體裂縫及其他異常現象實時監測。

選取A截面(跨中)、B截面(近L/4缺陷區截面)、C截面(3L/4處)為靜載試驗主要測試截面，分別測試3個測試截面及兩端支點的撓度，跨中截面和缺陷區截面的應變。

圖6 試驗梁主要測試斷面布置示意圖(單位：cm)

圖7 應變測點布置示意圖(單位：cm)

圖8 撓度測點布置示意圖(單位：cm)

3 試驗結果分析

3.1 應變分析

跨中截面和缺陷區截面各測點在試驗荷載作用下的實測應變分別見表2和表3。

表2 跨中A截面各測點實測應變值(單位：με)

表3 缺陷區截面各測點實測應變值(單位：με)

由表2可知，跨中截面應變校驗系數介于0.70～0.80，均小于1，相對殘余應變介于1.3%～9.0%。說明在試驗荷載作用下，試驗梁跨中截面處于彈性工作狀態，滿足文獻[2]要求。由圖9可知，跨中截面沿梁高的應變分布線性關系良好，基本符合平截面假定，實測中性軸高度0.970m與計算中性軸高度0.964m基本吻合。

圖9 跨中A截面實測應變沿梁高分布

由表3可知，缺陷區截面應變校驗系數介于0.47～1.25，相對殘余應變介于6.2%～57.7%，主要是腹板缺陷修補區范圍內的應變測點應變校驗系數大于1，相對殘余應變大于20%，這與加載過程中，缺陷修補區開裂相吻合。同時由圖10可知，缺陷修補區截面實測中性軸高度1.049，高于計算中性軸高度0.964。

圖10 缺陷區B截面實測應變沿梁高分布

綜上所述：試驗梁跨中截面強度滿足要求，缺陷修補區截面強度不滿足要求。

3.2 撓度分析

在各級試驗荷載作用下，試驗梁主要測試截面各測點的撓度變形測試結果(經支點沉降修正后)見表4。

表4 試驗梁梁體各測點實測撓度值(單位：mm)

由表4、圖11和圖12可知，試驗梁梁體撓度校驗系數介于0.77～0.81，均小于1，相對殘余撓度介于1.6%～2.1%。說明在試驗荷載作用下，試驗梁梁體實測撓度與理論值之間線性關系良好，處于彈性工作狀態，滿足文獻[5]要求。綜上所述：試驗梁梁體整體剛度滿足要求。

圖11 試驗梁整體撓度變形曲線圖

圖12 試驗梁整體跨中撓度實測與理論線形圖

3.3 抗裂性分析

試驗前對試驗梁梁體進行觀測，未發現肉眼可見的裂縫。試驗過程中，在第2級試驗荷載作用下，發現試驗梁在原缺陷修補區出現多條網狀細裂紋，隨即對結構新裂縫的長度、寬度、分布及走向進行觀測。

表5 試驗梁梁體裂縫觀測結果

分析可知，在試驗荷載滿載作用下，試驗梁左腹板原修補區網狀裂縫寬度，超過文獻[6]關于A類預應力混凝土構件規定的容許值，卸載后其擴展寬度未閉合到容許值的1/3。

圖13 試驗加載過程中，試驗梁左腹板原修補區域新生裂縫分布圖

4 試驗結論與建議

(1)試驗效率：本次試驗千斤頂加載的荷載效率為1.02，滿足文獻[5]中0.95≤ηq≤1.05的要求，可用于驗證試驗梁在相當于設計荷載作用下的受力性能。

(2)應變：在試驗荷載滿載作用下，跨中截面應變校驗系數介于0.70～0.80，卸載后相對殘余應變介于1.3%～9.0%，滿足文獻[5]要求；缺陷區截面應變校驗系數介于0.47～1.25，卸載后相對殘余應變介于6.2%～57.7%，這與加載過程中，缺陷修補區范圍內混凝土開裂相吻合，不滿足文獻[5]要求。說明試驗梁跨中截面強度滿足要求，缺陷修補區截面強度不滿足要求。

(3)撓度：在試驗荷載滿載作用下，試驗梁梁體撓度校驗系數介于0.77～0.81，卸載后相對殘余撓度介于1.6%～2.1%，滿足文獻[5]要求。說明試驗梁梁體整體剛度滿足要求。

(4)在試驗荷載作用下，試驗梁裂縫寬度超過文獻[6]關于A類預應力混凝土構件規定的容許值，卸載后其擴展寬度未閉合到容許值的1/3。

綜上所述：在試驗荷載作用下，該預制小箱梁缺陷修復后的受力性能不滿足設計要求。同時本著確保工程質量安全、減少工程損失的原則，建議對原缺陷部位進行專門的加固設計處治，后續通過單梁靜載試驗驗證其承載能力能否達到設計要求。