既有預應力混凝土空心板梁抗彎承載能力試驗研究

游勇利，范小軍，談勇，郭景昆，曹琪，楊超

（1.江西省公路科研設計院有限公司，南昌 330000；2.南昌師范學院，南昌 330032；3.華東交通大學，南昌 330003）

1 工程概況

昌九高速改擴建項目起點位于昌北樞紐互通北端K8+054，終點位于七里湖樞紐互通南端K103+602，途經(jīng)南昌市新建區(qū)、九江市永修縣、共青城市、德安縣、柴桑區(qū)（九江縣）、濂溪區(qū)（廬山區(qū)），扣除先行建設的通遠試驗段，路線全長87.819 km。全線按全封閉、全立交雙向八車道高速公路標準建設，設計速度為100 km/h，整體路基寬41 m，分離式路基寬20.5 m，采用“兩側(cè)及單側(cè)整體加寬為主+局部分離”方式進行改擴建。項目自2016年9月5日開工，于2019年9月30日基本建成通車。

為了考察昌九高速上實際使用20多年的14.2 m預應力混凝土空心板梁的抗彎性能、破壞形態(tài)及極限承載能力，本文對上述選取的預應力混凝土空心板梁進行了抗彎承載能力試驗研究。

2 試驗方案

2.1 加載裝置

本試驗在江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司結(jié)構(gòu)實驗室進行，利用大型結(jié)構(gòu)試驗加載系統(tǒng)（MTS）完成相關(guān)試驗內(nèi)容。采用兩點加載，純彎段長度選取3 m的加載形式，用200 t豎向加載框架配合電液伺服作動器在分配梁上施加荷載。試驗過程中支座中心間距設置為13.9 m。試驗加載儀器與布置現(xiàn)場圖如圖1所示。

圖1 承載能力試驗現(xiàn)場布置圖

2.2 加載制度

試驗的加載方案采取“荷載+位移”分階段控制方式。（1）首先，對試驗梁進行預加載：0 t→10 t→20 t→10 t→0 t，解決非彈性變形問題，并且使試件各部位接觸良好，進入正常工作狀態(tài)，荷載與變形關(guān)系趨于穩(wěn)定，同時也能檢驗試驗裝置的可靠性。（2）正式加載開始，在進入彈塑性階段之前，以10 t的加載頻率控制，加載至彈塑階段每級荷載對應較大位移時，轉(zhuǎn)為1 cm的位移控制方式直至梁板破壞。在不同等級的加載工況下分別保持負荷狀態(tài)5 min，為相關(guān)檢測人員記錄應變、位移以及裂縫有無開展狀況提供充足時間。加載過程中實時記錄數(shù)據(jù)，并拍照記錄試驗梁加載過程，繪制荷載-位移曲線。

2.3 試驗測試內(nèi)容及方法

1）各級加載工況下各控制截面的撓度測試：撓度測點選取L/4、L/2和3L/4截面試驗梁板底分別布置位移傳感器，測量試驗板梁加載過程中的撓度。試驗梁加載點與側(cè)面測點布置如圖2所示。

圖2 試驗梁加載點與側(cè)面測點布置圖

2）裂縫發(fā)展情況記錄：在試驗梁表面用墨線彈上10 cm×10 cm的方格網(wǎng)，試驗時用康科瑞智能裂縫測寬儀觀測并記錄裂縫寬度。加載至每級荷載穩(wěn)定以后，記錄裂縫的寬度、位置和發(fā)展趨勢。試驗完成后繪制整個梁體的裂縫分布圖，并拍照記錄。

2.4 試驗加載過程

試驗開始前，首先進行預加載，檢查支座的平穩(wěn)度及儀器裝置是否正常。正式加載試驗分級加載，每級荷載加載完成后的持荷時間一般在5 min，且每級加載時間保持相等。根據(jù)理論計算試驗梁的開裂荷載和極限荷載，制定加載程序。

3 試驗梁承載能力試驗結(jié)果分析

3.1 試驗宏觀現(xiàn)象

試驗梁正式加載過程中，當荷載加到217 kN時，應變片布置側(cè)腹板底沿靠近跨中位置出現(xiàn)一條裂縫，長度約為7 cm，裂縫寬0.23 mm，此時面向應變片右側(cè)作動器下伴隨“砰”一聲響。

當荷載加到244～290 kN時，前幾級裂縫寬度開始增加，逐漸有新的裂縫出現(xiàn)。應變片布置側(cè)出現(xiàn)多條接近頂板的裂縫，260 kN時面向應變片右側(cè)作動器下傳來一聲“砰”響。

當荷載加到380 kN時，底板位置多條裂縫寬度接近1 mm，前幾級裂縫寬度迅速增加，裂縫進一步擴展。試驗梁純彎段內(nèi)，出現(xiàn)多處分布緊密且均勻的貫穿裂縫，裂縫間距為12～23 cm，裂縫寬度最大開展為0.7～1.0 mm；鑒于安全考慮，此后未進行裂縫寬度測量。

當荷載達到410 kN時，試驗梁發(fā)出撕裂聲音，緊接著一聲巨響后，面向應變片右側(cè)梁端腹板混凝土剪切脆性破壞（見圖3a），另一端沒有明顯破壞，但在應變片布置側(cè)橋面板與空心板之間出現(xiàn)順梁方向通長裂縫（見圖3b）；觀察試驗梁剪斷一端，可以發(fā)現(xiàn)該斜裂縫與底板平面約呈40°夾角（見圖3c），試驗梁底面距離梁端約500 mm位置出現(xiàn)一條貫穿底面的橫向裂縫（見圖3d），對應端預應力筋拔出（見圖3e）；另一端預應力筋未拔出，但存在明顯松動（見圖3f），另一側(cè)橋面板與空心板之間出現(xiàn)順梁方向通長裂縫。

綜上，試驗梁整體破壞圖如圖3所示，可以認為試驗梁發(fā)生了一端底部受拉預應力筋整體拔出引起的腹板剪切脆性破壞。

圖3 試驗梁破壞現(xiàn)象

3.2 荷載-位移曲線

MTS試驗控制系統(tǒng)可以獲得加載過程中兩個作動器的加載力和位移，因此，通過試驗梁抗彎承載能力試驗，分別獲得了試驗梁的開裂荷載、極限荷載和荷載-位移關(guān)系曲線。從加載開始到試驗梁破壞，作動器1和作動器2的荷載-位移曲線如圖4所示。

由圖4可見，作動器獲得的荷載-位移曲線發(fā)展規(guī)律為：當荷載施加開始后，荷載-位移曲線呈線性增長趨勢；當作動器1與作動器2荷載之和大致為221.2 kN時，曲線出現(xiàn)小波動，并且開始進入彈塑性階段，并認為此時對應荷載值為試驗梁開裂荷載；隨后，曲線隨著位移的增加，荷載緩慢增長，曲線斜率逐漸降低，最終作動器1與作動器2荷載之和大致為868.0 kN時，試驗梁發(fā)生脆性破壞，曲線驟降至零。

4 結(jié)論

1）試驗梁發(fā)生了一端底部受拉預應力筋整體拔出引起的腹板剪切脆性破壞；

2）試驗梁的開裂荷載為221.2 kN、極限荷載為868.0 kN，試驗結(jié)果可為既有預應力混凝土空心板梁橋既有承載力評估提供參考意見。