既有缺陷預(yù)制T梁?jiǎn)瘟撼休d能力靜載試驗(yàn)全過程分析

張志強(qiáng)，董麗娜

(1.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050091；2.河北省公路安全感知與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊市 050091；3.河北省道路工程智能監(jiān)測(cè)與運(yùn)維技術(shù)創(chuàng)新中心 石家莊市 050091)

目前，中小跨徑梁式橋上部結(jié)構(gòu)多采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁板，梁場(chǎng)預(yù)制已采用標(biāo)準(zhǔn)化施工，建造速度和工程質(zhì)量得到大幅度提高，但由于大規(guī)模預(yù)制施工時(shí)影響因素控制不當(dāng)，會(huì)造成個(gè)別預(yù)制梁板產(chǎn)生一定的施工缺陷，如裂縫、空洞、離析等。為了判別施工缺陷對(duì)預(yù)制梁板受力性能的影響程度，檢驗(yàn)既有缺陷預(yù)制梁板的實(shí)際工作狀態(tài)和承載能力能否滿足設(shè)計(jì)要求，往往在施工階段進(jìn)行裸梁靜載試驗(yàn)，在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載的試驗(yàn)荷載作用下，獲取試驗(yàn)梁體主要控制截面的應(yīng)變、變形、裂縫等關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，綜合評(píng)估既有缺陷預(yù)制梁板的強(qiáng)度、剛度以及抗裂性等實(shí)際結(jié)構(gòu)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，為缺陷梁板的后續(xù)處治提供依據(jù)和同類工程提供工程參考[2-3]。

1 工程概況

某橋上部結(jié)構(gòu)采用1-13m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，單幅橋?qū)?.5m防撞護(hù)欄+凈11.4m+0.34m防撞護(hù)欄，橫向布置8片矮T梁，梁高90cm，中梁頂寬100cm，邊梁頂寬110cm，濕接縫寬57.7cm，混凝土采用C50，設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件。橋面鋪裝采用12cm厚C50防水混凝土現(xiàn)澆層+10cm厚瀝青混凝土鋪裝。設(shè)計(jì)荷載為現(xiàn)行公路—Ⅰ級(jí)。其中1-3#T梁澆筑施工后腹板距梁底0.4m高度范圍內(nèi)混凝土澆注不良離析、分層，個(gè)別位置粗骨料外露，如圖1所示。在架設(shè)預(yù)制梁前，為檢驗(yàn)既有澆筑缺陷1-3#T梁承載能力和受力性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)1-3#T梁進(jìn)行裸梁靜載試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)既有施工缺陷梁板進(jìn)行后續(xù)處治。

圖1 1-3#T梁腹板澆筑缺陷概況

2 試驗(yàn)控制荷載確定

由于預(yù)制狀態(tài)的裸梁尚未進(jìn)行后續(xù)施工過程，其靜載試驗(yàn)不同于成橋靜載試驗(yàn)，計(jì)算分析與試驗(yàn)原則存在較大差異。如何以成橋狀態(tài)為基準(zhǔn)確定裸梁的試驗(yàn)控制荷載，成為單梁靜載試驗(yàn)的關(guān)鍵工作，目前常用的方法主要為基于控制截面內(nèi)力等效和基于控制截面應(yīng)力增量等效[1]。

(1)基于控制截面內(nèi)力等效，即不考慮施工過程和橋面現(xiàn)澆層參與結(jié)構(gòu)受力，將二期恒載(濕接縫、橋面現(xiàn)澆層、橋面鋪裝、護(hù)欄等)和設(shè)計(jì)車道荷載作用于成橋狀態(tài)裸梁上，確定單梁靜載試驗(yàn)控制荷載。

(2)基于控制截面應(yīng)力增量等效，即充分考慮成橋施工過程和橋面現(xiàn)澆層不同程度參與上部結(jié)構(gòu)主梁共同受力[4]，以不同施工階段不同截面特性主梁的累計(jì)應(yīng)力增量為基準(zhǔn)，確定單梁靜載試驗(yàn)控制荷載[3]。

全橋仿真模擬計(jì)算分析模型如圖2所示，按照不同計(jì)算分析方式試驗(yàn)控制荷載計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖2 仿真模擬計(jì)算分析模型

表1 不同計(jì)算分析方式試驗(yàn)控制荷載計(jì)算結(jié)果表

由表1可知：方式一較方式三控制彎矩值大，相差17%，說明橋面現(xiàn)澆層參與預(yù)制矮T梁結(jié)構(gòu)受力程度較大，方式三較方式二控制彎矩值大，相差5%。充分考慮裸梁狀態(tài)至成橋狀態(tài)施工及受力全過程，采用基于累計(jì)應(yīng)力增量的方法(考慮2/3橋面現(xiàn)澆層參與受力[4])確定靜載試驗(yàn)控制彎矩，即跨中截面控制彎矩為779.14kN·m。

3 試驗(yàn)加載與測(cè)試

3.1 試驗(yàn)加載

基于跨中控制截面彎矩等效原則，本次靜載試驗(yàn)利用加載塊分層堆放進(jìn)行加載[2]，沿梁體縱向加載范圍為6.0m。滿載時(shí)加載配重總重為37.26t，跨中截面試驗(yàn)彎矩為815.6kN·m，荷載效率為1.05。試驗(yàn)荷載加載分級(jí)及加載效率如表2所示，試驗(yàn)加載塊布置示意圖、受力簡(jiǎn)圖如圖3和圖4所示。

表2 試驗(yàn)荷載加載分級(jí)及加載效率表

圖3 試驗(yàn)加載塊布置示意圖(單位：cm)

圖4 試驗(yàn)荷載加載受力簡(jiǎn)圖(單位：cm)

試驗(yàn)加載主要程序：

(1)首先進(jìn)行測(cè)試截面、測(cè)點(diǎn)位置放樣，并安裝應(yīng)變、撓度傳感器，連接調(diào)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(2)在跨中6m范圍內(nèi)均勻布置方木，并用細(xì)沙調(diào)平。

(3)進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)梁體反應(yīng)，同時(shí)檢查測(cè)試系統(tǒng)正常工作。

(4)為分析試驗(yàn)梁體主要控制截面應(yīng)變、撓度隨荷載變化的規(guī)律性，同時(shí)保證加載過程安全可靠，分3級(jí)加載至試驗(yàn)荷載，加載效率分別為37%、78%、105%，分1級(jí)卸載至初始狀態(tài)。

(5)每級(jí)荷載施加后，待結(jié)構(gòu)反應(yīng)穩(wěn)定后，讀取本級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)。

(6)試驗(yàn)加載的全過程中，注意實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)梁體狀態(tài)，若主要控制截面的應(yīng)變或撓度實(shí)測(cè)值超過理論值，結(jié)構(gòu)受力裂縫長(zhǎng)度、寬度、數(shù)量急劇增加，實(shí)測(cè)變形分布規(guī)律異常，梁體發(fā)出異常響動(dòng)，支撐臺(tái)座發(fā)生失穩(wěn)或其他異常情況等，應(yīng)終止試驗(yàn)加載，查清具體原因后，確定是否繼續(xù)試驗(yàn)加載。

圖5 1-3#預(yù)制T梁試驗(yàn)加載

3.2 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

依據(jù)預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析結(jié)果，按照結(jié)構(gòu)最不利受力原則和代表性原則，選取試驗(yàn)梁梁體跨中截面(A截面)、L/4截面(B截面)、3L/4截面(C截面)作為主要控制截面進(jìn)行測(cè)試。為充分反映預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變、撓度及裂縫最不利控制截面的力學(xué)特征，本次單梁靜載試驗(yàn)的主要測(cè)試內(nèi)容：

(1)在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下試驗(yàn)梁體跨中、L/4、3L/4截面撓度。

(2)在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下試驗(yàn)梁體跨中截面應(yīng)變。

(3)試驗(yàn)梁體裂縫及其他異常現(xiàn)象的試驗(yàn)加載全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。

試驗(yàn)梁主要測(cè)試截面和測(cè)點(diǎn)布置如圖6～圖8所示。

圖6 1-3#預(yù)制T梁主要測(cè)試截面布置圖(左側(cè)為小樁號(hào)，單位：cm)

圖7 主要測(cè)試截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：cm)

圖8 主要測(cè)試截面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：cm)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 撓度試驗(yàn)結(jié)果分析

在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，1-3#預(yù)制T梁各測(cè)試截面撓度變形實(shí)測(cè)結(jié)果如表3、圖9、圖10所示。

圖9 1-3#預(yù)制T梁實(shí)測(cè)撓度變形圖

圖10 1-3#預(yù)制T梁實(shí)測(cè)撓度與理論值相關(guān)圖

表3 試驗(yàn)荷載作用下1-3#預(yù)制T梁撓度實(shí)測(cè)結(jié)果(單位：mm)

2.上述撓度數(shù)據(jù)已進(jìn)行支點(diǎn)修正

由表3、圖9和10可知，在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載作用下，1-3#預(yù)制T梁撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.59～0.70之間，相對(duì)殘余撓度在9.0%～17.4%之間，實(shí)測(cè)撓度與理論值之間基本呈線性關(guān)系。其撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，基本與本橋澆筑完好的同類預(yù)制T梁試驗(yàn)結(jié)果(0.52～0.75)相吻合，但相對(duì)殘余撓度雖滿足小于20%，但已接近限值，同時(shí)較本橋澆筑完好的同類預(yù)制T梁試驗(yàn)結(jié)果(0.1%～4.5%)偏大，表明1-3#預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀況偏差。

4.2 應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，1-3#預(yù)制T梁L/2測(cè)試截面應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果如表4、圖11、圖12所示。

圖11 1-3#預(yù)制T梁L/2截面實(shí)測(cè)應(yīng)變沿梁高分布圖

圖12 1-3#預(yù)制T梁L/2截面實(shí)測(cè)與理論應(yīng)變沿梁高分布圖

表4 試驗(yàn)荷載作用下1-3#預(yù)制T梁L/2截面應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果(με)

2.上述應(yīng)變數(shù)據(jù)已取左右對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的平均值

由表4、圖11和12可知，在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載作用下，1-3#預(yù)制T梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.85之間，相對(duì)殘余應(yīng)變?cè)?1.4%～14.6%之間，實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論值之間基本呈線性關(guān)系，基本符合平截面假定。其應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1，基本與本橋澆筑完好的同類預(yù)制T梁試驗(yàn)結(jié)果(0.66～0.85)相吻合，但相對(duì)殘余應(yīng)變雖滿足小于20%，但已接近限值，同時(shí)較本橋澆筑完好的同類預(yù)制T梁試驗(yàn)結(jié)果(3.1%～8.8%)偏大，表明1-3#預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀況偏差。

4.3 抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)加載前，對(duì)梁體外觀進(jìn)行詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)可見受力裂縫。在第2級(jí)試驗(yàn)加載時(shí)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)梁腹板新出現(xiàn)縱向、豎向裂縫，呈十字交叉狀，立即觀測(cè)對(duì)新裂縫的長(zhǎng)度、寬度及分布走向等變化情況。試驗(yàn)梁腹板新裂縫觀測(cè)結(jié)果如表5、圖13、圖14所示。

表5 試驗(yàn)荷載作用下1-3#預(yù)制T梁梁體新裂縫觀測(cè)結(jié)果

圖13 試驗(yàn)荷載作用下1-3#預(yù)制T梁腹板新裂縫展開示意圖

圖14 試驗(yàn)荷載作用下1-3#預(yù)制T梁腹板新裂縫分布圖

在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載作用下，1-3#預(yù)制T梁左腹板新生裂縫長(zhǎng)度0.1～0.2m，寬度典型值為0.06～0.10mm；卸載后裂縫長(zhǎng)度和寬度均未閉合。新增裂縫寬度超過文獻(xiàn)[7]規(guī)定的容許值，卸載后擴(kuò)展寬度未閉合到容許值的1/3，不滿足文獻(xiàn)[5]相關(guān)要求。

5 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

鑒于該預(yù)制T梁澆筑缺陷程度和靜載試驗(yàn)結(jié)果，為確保工程質(zhì)量安全，對(duì)該梁進(jìn)行廢棄處理，在破除時(shí)發(fā)現(xiàn)腹板分層離析部位粗骨料積沉，而腹板上半部幾乎無粗骨料，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度低，這與試驗(yàn)過程中該梁彎剪區(qū)段主拉應(yīng)力軌跡區(qū)域內(nèi)新生裂縫相吻合。1-3#預(yù)制T梁腹板內(nèi)部混凝土狀況見圖15。

圖15 1-3#預(yù)制T梁腹板內(nèi)部混凝土狀況

6 結(jié)語

(1)在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載作用下，1-3#預(yù)制T梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.68～0.85，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.59～0.70，滿足文獻(xiàn)[6]要求；相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?1.4%～14.6%、相對(duì)殘余撓度為9.0%～17.4%，雖滿足文獻(xiàn)[6]小于20%的要求，但已接近限值，同時(shí)較本橋澆筑完好的同類預(yù)制T梁試驗(yàn)結(jié)果偏大，其結(jié)構(gòu)彈性工作狀況偏差。

(2)在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載作用下，1-3#預(yù)制T梁腹板在彎剪力區(qū)段主拉應(yīng)力軌跡區(qū)域內(nèi)新生裂縫，其寬度超過文獻(xiàn)[7]規(guī)定的容許值，卸載后擴(kuò)展寬度未閉合，不滿足文獻(xiàn)[5]相關(guān)要求。

(3)綜合表明該既有施工澆筑缺陷預(yù)制T梁的受力性能不滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)該預(yù)制T梁腹板下部混凝土粗骨料積沉，上部混凝土幾乎無粗骨料，與靜載試驗(yàn)結(jié)果相吻合，反應(yīng)了單梁靜載試驗(yàn)評(píng)估既有施工澆筑缺陷是否影響預(yù)制梁板承載能力的可靠性。