預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁典型質(zhì)量缺陷試驗(yàn)研究

劉帥鵬

（河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 451460）

0 引言

預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁由于拆遷征地、資金不到位、工程延期、天災(zāi)、施工中質(zhì)量控制措施不規(guī)范、運(yùn)輸或吊裝中的意外影響等各種原因，工程建設(shè)過程中存在超期存放、傾倒、翻滾、水沖、破損、開裂等情況，致使存在這些缺陷的梁體承載能力能否滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求存在疑問。由于具體工程的個(gè)體性及唯一性，使得具體工程實(shí)際狀態(tài)與理論上存在差異，特別是受到不良影響后，為了更好地指導(dǎo)施工、保證質(zhì)量及安全等工程需要，具體工程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)積累就顯得尤為重要。這些存在缺陷的梁體可依據(jù)規(guī)范，按要求進(jìn)行靜載試驗(yàn)，分析其是否滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范要求。不滿足要求的梁體應(yīng)棄用或在保障安全的情況下降級(jí)使用，盡量減少或避免已投入的資源浪費(fèi)。本次選用實(shí)際工程中存在超期存放并伴有傾倒、翻滾、水沖、破損、開裂等情況中的一種或幾種的30 m 預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁10榀作為試驗(yàn)梁，利用Midas Civil 軟件進(jìn)行單梁建模，在等效荷載作用下計(jì)算理論值。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行單梁靜載試驗(yàn)，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為存在缺陷的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的承載能力判定提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)所用材料為存在超期存放并可能有傾倒、翻滾、掩埋、破損、開裂等情況中的一種或幾種的30 m預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁10榀。

預(yù)制箱梁采用C50 混凝土，混凝土重力密度γ=26.0kN/m3，彈性模量Ec=3.45×104MPa。預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率p=0.035，松弛系數(shù)ζ=0.3。設(shè)計(jì)汽車靜載：公路-Ⅰ級(jí)，利用Midas Civil 軟件進(jìn)行單梁有限元分析，在等效荷載作用下計(jì)算理論值。主要儀器設(shè)備為東華無線靜態(tài)應(yīng)變系統(tǒng)、電阻應(yīng)變片、直線位移計(jì)，主要輔助工器具有重型吊車、配重塊等。

2 分析內(nèi)容和試驗(yàn)方法

2.1 分析內(nèi)容

該試驗(yàn)分析內(nèi)容具體為：①試驗(yàn)梁在各級(jí)靜載作用下L/4、L/2 和3L/4 截面的撓度情況；②試驗(yàn)梁在各級(jí)靜載作用下L/4、L/2、3L/4 截面的應(yīng)變情況；③試驗(yàn)對(duì)象是存在缺陷的箱梁，只對(duì)靜載試驗(yàn)的撓度和應(yīng)變進(jìn)行分析，對(duì)試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展情況不做分析。其中L為試驗(yàn)梁長度。

2.2 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)測試混凝土應(yīng)變采用DH3819 東華無線靜態(tài)應(yīng)變模塊及自動(dòng)采集系統(tǒng)，BE120-3AA（11）電阻應(yīng)變片作為測試元件，測試范圍為-1 500～1 500 με，測試精度為0.1 με，試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)采集和記錄。

該試驗(yàn)測試試驗(yàn)梁撓度，采用DH3819 東華無線靜態(tài)應(yīng)變模塊及自動(dòng)采集系統(tǒng)，5G103 直線位移計(jì)為測試元件，測試范圍為50 mm，分辨率為0.005 mm，試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)采集和記錄。

正式試驗(yàn)前，用試驗(yàn)最大加載量的30%荷載對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行預(yù)壓［1］，同時(shí)對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行自檢，顯示處于正常工作狀態(tài)時(shí)，獲取預(yù)壓數(shù)據(jù)。正式試驗(yàn)開始時(shí)，首先進(jìn)行零荷載的初值獲取。試驗(yàn)過程中，在增大一級(jí)荷載之后，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)［2］，自動(dòng)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)不變或上下很小范圍浮動(dòng)時(shí)，獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行下一級(jí)加載，直到加載到最大試驗(yàn)荷載。一次平穩(wěn)卸載至零荷載，卸載過程不采集數(shù)據(jù)，試驗(yàn)梁相對(duì)穩(wěn)定后進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)采集。

3 試驗(yàn)加載方案及注意事項(xiàng)

3.1 試驗(yàn)加載方案

為了使試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，同時(shí)考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場的條件限制，該試驗(yàn)決定采用配重塊堆載的方式，使吊車分為三級(jí)［2］加載，具體試驗(yàn)加載分級(jí)見表1。加載范圍［3］在箱梁頂板跨中5.5 m范圍內(nèi)。

表1 預(yù)制30 m箱梁靜載試驗(yàn)加載分級(jí)

計(jì)算跨徑為29.2 m，汽車車道荷載產(chǎn)生的理論計(jì)算總彎矩（含沖擊系數(shù)）為3 322 kN·m［4-5］，試驗(yàn)加載彎矩為3 413 kN·m，試驗(yàn)加載效率為1.03，滿足公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程中加載效率在0.95～1.05 之間規(guī)定。

通過Midas Civil生成計(jì)算模型，如圖1所示。本次預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)工況、測試項(xiàng)目為梁跨中最大正彎矩工況，試驗(yàn)控制截面為跨中正截面。

3.2 試驗(yàn)加載注意事項(xiàng)

由于試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)存在缺陷的梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)中測試數(shù)據(jù)可能會(huì)超過計(jì)算值或變形規(guī)律異常，故規(guī)范規(guī)定的相關(guān)停止加載條款在本次試驗(yàn)中不予考慮。當(dāng)試驗(yàn)過程中發(fā)生下列情況之一時(shí)［6］，應(yīng)停止加載，查找原因，采取措施后確定是否繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)：①結(jié)構(gòu)裂縫的長度、寬度或數(shù)量明顯增大；②試驗(yàn)梁發(fā)出異響聲或發(fā)生其他對(duì)結(jié)構(gòu)及人員安全不利的異常情況，如配重塊滑動(dòng)掉落、試驗(yàn)梁傾斜、吊車傾倒等情況。該試驗(yàn)由專人負(fù)責(zé)統(tǒng)一指揮加載，并對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析對(duì)比［5-6］，以確保在結(jié)構(gòu)、儀器設(shè)備及人員安全的前提下進(jìn)行試驗(yàn)。

4 測試截面及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)測試各截面包含支點(diǎn)1、L/4、3L/4、L/2、支點(diǎn)2 截面。每一試驗(yàn)梁在L/4、3L/4、L/2 各截面底板中間布置直線位移計(jì)，距離支點(diǎn)1、支點(diǎn)2 截面底板向跨中20 cm處布置直線位移計(jì)，共5個(gè)直線位移計(jì)。

每一試驗(yàn)梁在L/4、3L/4、L/2 各截面應(yīng)變測點(diǎn)具體位置如下：1#測點(diǎn)位于腹板上緣倒角向下15 cm處，2#測點(diǎn)位于底板下緣倒角向上30 cm 處，3#測點(diǎn)位于底板下緣倒角向上15 cm 處，共布置9 個(gè)應(yīng)變片。測試截面儀器布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)各截面應(yīng)變片、位移計(jì)布置

5 測試結(jié)果與分析

5.1 試驗(yàn)梁撓度測試結(jié)果與分析

經(jīng)過支點(diǎn)變形修正和測試誤差處理后，試驗(yàn)梁在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下各測點(diǎn)的撓度測試結(jié)果與分析見表2、表3。

表2 試驗(yàn)梁在試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙葴y試值及分析結(jié)果

表3 試驗(yàn)梁在試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)變測試值及分析結(jié)果

依據(jù)公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)一般在0.7～1.0 之間。試驗(yàn)梁在等效荷載作用下，L/4 截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)是0.34～0.56，L/2 截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)是0.51～0.67，3L/4 截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)是0.41～0.55。各截面最大撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.67，小于1，且小于撓度校驗(yàn)系數(shù)一般值的下限0.7；各截面相對(duì)殘余撓度是-13.02%～9.42%，均小于20%。

5.2 試驗(yàn)梁應(yīng)變測試結(jié)果與分析

經(jīng)過測試誤差處理后，試驗(yàn)梁在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下各測點(diǎn)的應(yīng)變測試結(jié)果與分析見表3。

依據(jù)公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)一般在0.6～0.9 之間。試驗(yàn)梁在等效荷載作用下，L/4截面的1#、2#、3#測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別是0.67～1.77、0.48～0.79、0.56～0.88；L/2 截面的1#、2#、3#測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別是0.54～1.30、0.43～0.79、0.51～0.89；3L/4 截面的1#、2#、3#測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別是0.77～1.56、0.42～0.80、0.53～0.85。各截面1#測點(diǎn)最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為1.77，大于1，且大于應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)一般值的上限0.9；各截面2#、3#測點(diǎn)最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.89，小于1，且小于應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)一般值的上限0.9；各截面1#測點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變是-20.95%～34.91%，均大于20%；各截面2#、3#測點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變是-2.46%～18.70%，均小于20%。

5.3 試驗(yàn)梁各截面應(yīng)變沿高度分布分析

根據(jù)測試結(jié)果及分析結(jié)果，試驗(yàn)梁各截面應(yīng)變最大彈性值沿高度分布如圖3至圖5所示。

圖3 L/4截面應(yīng)變最大彈性值沿高度分布

圖4 跨中應(yīng)變最大彈性值沿高度分布

圖5 3L/4截面應(yīng)變最大彈性值沿高度分布

對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)，實(shí)測主要控制截面應(yīng)變沿高度分布應(yīng)符合平截面假定。從圖3至圖5可以看出，部分試驗(yàn)梁部分截面應(yīng)變沿梁高分布比例已失調(diào)。同一截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)1#測點(diǎn)大于2#、3#測點(diǎn)的截面占試驗(yàn)測試總截面的86.7%。

6 結(jié)論

①該試驗(yàn)梁撓度校驗(yàn)系數(shù)全部低于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)的下限值0.70，說明試驗(yàn)梁強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，安全儲(chǔ)備度良好。各截面最大相對(duì)殘余撓度為-13.02%，小于20%，表明試驗(yàn)梁彈性工作狀態(tài)良好。

②該試驗(yàn)梁各截面1#測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1.0的占1#測點(diǎn)總數(shù)的50%，說明應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1.0 對(duì)應(yīng)的部分試驗(yàn)梁強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求。各截面1#測點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變大于20%的占1#測點(diǎn)總數(shù)的6.7%，表明試驗(yàn)梁彈性狀態(tài)受影響不大。

③該試驗(yàn)梁部分截面應(yīng)變沿梁高分布已不能完全符合平截面假定，導(dǎo)致箱梁在同一截面應(yīng)變比例失調(diào)，分析結(jié)果表明跡象向著箱梁頂板腹板交接區(qū)域集中。隨缺陷影響程度的增大而導(dǎo)致應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)或相對(duì)殘余比超過規(guī)范限值。

④對(duì)于同一箱梁，撓度校驗(yàn)系數(shù)相比應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)較小，撓度校驗(yàn)系數(shù)低于規(guī)程一般范圍0.7～1.0的下限值0.7時(shí)，部分應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)已大于規(guī)程一般范圍0.6～0.9 的上限值0.90。缺陷對(duì)應(yīng)變的影響程度要大于對(duì)撓度的影響程度。