裝配式小箱梁缺陷修復(fù)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(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050091； 2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心 石家莊市 050091)

目前，預(yù)制裝配式混凝土橋梁施工以其建造速度快、建設(shè)資源節(jié)約、降低自然環(huán)境、既有交通與施工的相互干擾、提升建設(shè)質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，逐步在橋梁施工中得到廣泛應(yīng)用。預(yù)制梁在梁場預(yù)制施工完成、吊裝施工前，其施工質(zhì)量和實(shí)際受力性能是否滿足設(shè)計要求，通常通過現(xiàn)場單梁靜載試驗，對試驗荷載作用下梁體的應(yīng)變、撓度、裂縫等關(guān)鍵指標(biāo)試驗結(jié)果進(jìn)行充分分析，評判其包括強(qiáng)度、剛度、抗裂性能等實(shí)際工作狀態(tài)以及其施工質(zhì)量能否滿足設(shè)計要求[1]。

1 工程概況

某橋上部結(jié)構(gòu)采用(5×30+(30+35+30)+18×(4×30))m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡支后連續(xù)體系，每幅橫向布置4片梁，預(yù)制中梁寬240cm，預(yù)制邊梁寬274cm，30m箱梁梁高160cm，每道現(xiàn)澆橋面板垂直寬74cm，采用C50混凝土，按預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)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(shè)計荷載等級為公路—Ⅰ級。

圖1 1/2跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位：cm)

其中，右幅4×30m聯(lián)跨的中跨中梁在澆筑施工過程中，近L/4處腹板出現(xiàn)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(jìn)行了封堵修復(fù)。為在確保工程質(zhì)量安全的前提下減少工程損失，對該施工缺陷修復(fù)后的小箱梁進(jìn)行單梁靜載試驗，檢驗其實(shí)際受力狀態(tài)，綜合評價缺陷修復(fù)后的小箱梁承載能力是否滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

圖2 試驗梁近L/4處腹板漏振空洞缺陷修復(fù)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(nèi)力等效原則，進(jìn)行計算分析，即不考慮施工過程，以成橋連續(xù)體系為基準(zhǔn)，將設(shè)計荷載(濕接縫、現(xiàn)澆層、護(hù)欄、橋面鋪裝等二期恒載和考慮沖擊系數(shù)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(nèi)力，跨中截面控制彎矩為2605.45kN·m。

圖3 試驗梁聯(lián)跨成橋狀態(tài)計算分析模型

2.2 試驗荷載及加載方法

本次試驗依據(jù)彎矩等效原則，采用兩點(diǎn)集中力進(jìn)行試驗加載[1-3]，縱向加載間距為2.0m。根據(jù)工地現(xiàn)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(yīng)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(diǎn)：

(1)測試斷面及測點(diǎn)放樣，傳感器布置，連接儀器設(shè)備，采集系統(tǒng)開機(jī)調(diào)試，檢查各個系統(tǒng)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(diào)平，避免出現(xiàn)偏載。

(3)試驗加載前對試驗梁進(jìn)行預(yù)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(yīng)滿足結(jié)構(gòu)反應(yīng)穩(wěn)定的時間要求，分級加載的穩(wěn)定時間不應(yīng)少于5min。

(5)加載過程中實(shí)時觀察結(jié)構(gòu)狀態(tài)，觀察各部位是否產(chǎn)生新裂縫，結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生不正常的響聲，基礎(chǔ)臺座是否發(fā)生搖晃現(xiàn)象等。

(6)當(dāng)試驗過程中，若出現(xiàn)控制截面應(yīng)變或撓度超過計算值、結(jié)構(gòu)裂縫的長度、寬度或數(shù)量明顯增加、實(shí)測變形分布規(guī)律異常、梁體發(fā)出異常響聲或其他異常情況等情況，應(yīng)停止加載，查清原因，采取措施后再確定是否進(jìn)行試驗。

2.3 試驗內(nèi)容及測點(diǎn)布置

針對試驗梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及梁體缺陷部位，靜載試驗的主要試驗內(nèi)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(qū)截面的應(yīng)變測試。

(3)試驗過程中試驗梁梁體裂縫及其他異常現(xiàn)象實(shí)時監(jiān)測。

選取A截面(跨中)、B截面(近L/4缺陷區(qū)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(diǎn)的撓度，跨中截面和缺陷區(qū)截面的應(yīng)變。

圖6 試驗梁主要測試斷面布置示意圖(單位：cm)

圖7 應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

圖8 撓度測點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 應(yīng)變分析

跨中截面和缺陷區(qū)截面各測點(diǎn)在試驗荷載作用下的實(shí)測應(yīng)變分別見表2和表3。

表2 跨中A截面各測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值(單位：με)

表3 缺陷區(qū)截面各測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值(單位：με)

由表2可知，跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.70～0.80，均小于1，相對殘余應(yīng)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(tài)，滿足文獻(xiàn)[2]要求。由圖9可知，跨中截面沿梁高的應(yīng)變分布線性關(guān)系良好，基本符合平截面假定，實(shí)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(shí)測應(yīng)變沿梁高分布

由表3可知，缺陷區(qū)截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.47～1.25，相對殘余應(yīng)變介于6.2%～57.7%，主要是腹板缺陷修補(bǔ)區(qū)范圍內(nèi)的應(yīng)變測點(diǎn)應(yīng)變校驗系數(shù)大于1，相對殘余應(yīng)變大于20%，這與加載過程中，缺陷修補(bǔ)區(qū)開裂相吻合。同時由圖10可知，缺陷修補(bǔ)區(qū)截面實(shí)測中性軸高度1.049，高于計算中性軸高度0.964。

圖10 缺陷區(qū)B截面實(shí)測應(yīng)變沿梁高分布

綜上所述：試驗梁跨中截面強(qiáng)度滿足要求，缺陷修補(bǔ)區(qū)截面強(qiáng)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(diǎn)的撓度變形測試結(jié)果(經(jīng)支點(diǎn)沉降修正后)見表4。

表4 試驗梁梁體各測點(diǎn)實(shí)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(shù)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(shí)測撓度與理論值之間線性關(guān)系良好，處于彈性工作狀態(tài)，滿足文獻(xiàn)[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(shí)測與理論線形圖

3.3 抗裂性分析

試驗前對試驗梁梁體進(jìn)行觀測，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂縫。試驗過程中，在第2級試驗荷載作用下，發(fā)現(xiàn)試驗梁在原缺陷修補(bǔ)區(qū)出現(xiàn)多條網(wǎng)狀細(xì)裂紋，隨即對結(jié)構(gòu)新裂縫的長度、寬度、分布及走向進(jìn)行觀測。

表5 試驗梁梁體裂縫觀測結(jié)果

分析可知，在試驗荷載滿載作用下，試驗梁左腹板原修補(bǔ)區(qū)網(wǎng)狀裂縫寬度，超過文獻(xiàn)[6]關(guān)于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件規(guī)定的容許值，卸載后其擴(kuò)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(bǔ)區(qū)域新生裂縫分布圖

4 試驗結(jié)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(xiàn)[5]中0.95≤ηq≤1.05的要求，可用于驗證試驗梁在相當(dāng)于設(shè)計荷載作用下的受力性能。

(2)應(yīng)變：在試驗荷載滿載作用下，跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.70～0.80，卸載后相對殘余應(yīng)變介于1.3%～9.0%，滿足文獻(xiàn)[5]要求；缺陷區(qū)截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.47～1.25，卸載后相對殘余應(yīng)變介于6.2%～57.7%，這與加載過程中，缺陷修補(bǔ)區(qū)范圍內(nèi)混凝土開裂相吻合，不滿足文獻(xiàn)[5]要求。說明試驗梁跨中截面強(qiáng)度滿足要求，缺陷修補(bǔ)區(qū)截面強(qiáng)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(shù)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(xiàn)[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(xiàn)[6]關(guān)于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件規(guī)定的容許值，卸載后其擴(kuò)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(yù)制小箱梁缺陷修復(fù)后的受力性能不滿足設(shè)計要求。同時本著確保工程質(zhì)量安全、減少工程損失的原則，建議對原缺陷部位進(jìn)行專門的加固設(shè)計處治，后續(xù)通過單梁靜載試驗驗證其承載能力能否達(dá)到設(shè)計要求。