預應力混凝土梁橋結構的受力分析

李勝龍 李立君 蘇笮斌 謝春陽 羅濤 何夕成

1.四川鐵科新型建材有限公司 四川 成都 610404

2.四川巨星新型材料有限公司 四川 成都 611731

1 預應力混凝土梁橋結構的受力性能試驗

1.1 工程概述

天津—石家莊高速公路起于石家莊市，至于天津市，津冀界至保石界主線長169.8公里。由于該項目部分路段地處交通閉塞，自然條件較差，施工難度大，需要通過修建橋梁的方式來溝通高山峽谷兩端的道路[4]。所研究的橋梁為混凝土結構，總長394m，如圖1所示。

圖1 橋梁示意圖

1.2 試件及材料

仿照圖1中所示大橋的梁橋結構，制成應力分析所需要試件，該試件制作的材料與實際大橋梁橋結構的澆筑材料一致，具體如表1所示[5]。

表1 試件（梁橋結構）制作材料

1.3 試驗設備

預應力混凝土梁橋結構的受力性能試驗所需要的相關試驗設備如2所示。

1.4 試件制作

基于表2給出的梁橋結構制作材料，在表2中部分設備的幫助下，制成試件。具體過程如下：

表2 試驗設備表

步驟1：設計混凝土配合比。適配配合比采用參考津石高速津冀界至保石界六分部1#拌合站C50混凝土配合比。

步驟2：利用混凝土配料機，按照表4進行C50混凝土配料；

步驟3：基于混凝土攪拌機，對C50混凝土材料進行攪拌。

步驟4：測量混凝土的坍落度和擴展度，判斷是否均小于對比組的坍落度和擴展度。若小于對比組，進入下一步；否則，需要提高高性能減水劑的摻量[6]。

步驟5：將混凝土漿液裝入鋼筋網模具當中。

步驟6：利用振搗機振搗成型，并養護至規定齡期，并測試混凝土梁橋結構試件的抗壓強度，當滿足抗壓強度標準時，完成混凝土梁橋結構試件制備，并等待下一步受力性能測試。否則，需要重新進行制備[7]。

1.5 預應力加載制度

預應力是指預先施加的壓力，目的是測試其受力性能，保證正式投入使用后的整體結構性能。預應力加載制度則是指預應力隨著時間的推進而逐步施加的荷載數值[8]。具體如表3所示。

表3 預應力加載制度

直至加載到N級荷載，試件被破壞，停止應力加載。

1.6 受力性能測試

基于表3加載制度，在西南交通大學結構工程試驗中心測試應力增加下的試件受力性能。受力性能測試包括三個指標，即撓度、應變以及承載情況[9]。下面進行具體分析。

（1）撓度測試

撓度，即構件（如梁、柱、板等）受到外力時發生彎曲變形的程度。針對這一參量，采取的測量方法為撓度計法，該方法優點是測試精度高，測試數據可靠，自動化采集數據[10]。該方法測試所需要的設備為BTS-58-C226旋臂撓度計，其包括三套帶夾具旋臂，三根20m銦鋼線，三個25×0.01mm百分表， 三個鉛錘和一個攜帶箱。撓度測量過程如下：

步驟1：將一個可伸縮的魚鉤固定在混凝土梁橋結構試件的下側。

步驟2：將帶孔的小盤用銦鋼線穿上系上結，將小盤掛在魚鉤上。

步驟3：將銦鋼線的另一端系上鉛錘，這樣就可使其接觸到被測物下的地面。

步驟4：將夾具裝在穩定的金屬或其他適當地擱置在地面上時較穩的支持物上。

步驟5：將百分表的滑動桿插入配套的夾具內并扭緊，這樣百分表就可處于垂直方向。

步驟6：取出帶隱蔽孔的方形棒，并將其通過隱孔固定在百分表滑動桿的上部，再取出另外一根帶明孔的方形棒，固定在滑動桿的下部。兩根棒子應相互平行[11]。

步驟7：取出銦鋼線，將其穿過兩根方型棒的內部接點，將兩根方型棒的位置固定在各自的固定螺栓上，這樣，這兩根棒子就被緊緊地綁在銦鋼線上[12]。

步驟8：此時該系統已準備讀數，實際頂梁撓度會在移動百分表的滑動桿時得出撓度測量結果。

梁橋結構不同部位承受的預應力不同，所以撓度計算公式也不同，具體如下：

梁橋結構跨中撓度計算公式

梁橋結構跨兩端撓度計算公式

梁橋結構跨節點撓度計算公式

（2）應變測試

應變是指隨著應力的施加結構局部的相對變形情況，即形變量與原來尺寸的比值。針對這一參量，采取的測量方法為應變儀法，該方法優點是測試穩定，抗干擾能力強，可以實現遠距離測試[13]。該方法測試所需要的設備為若干個應變片和JHYC靜態應變儀。

應變測試具體過程如下：

步驟1：應變測點方案設計。

步驟2：將應變片粘貼到混凝土梁橋結構試件表面，并通過環氧樹脂進行脫落防護；

步驟3：按照表3，利用500t油壓千斤頂對試件試件施加應力，同時應變片采集數據。

步驟4：將應變片采集到的數據傳輸到智能應變儀中，進行數據統計與分析。

應變值隨著預應力的變化而變化，因此二者存在一定的映射關系。二者關系表達式如下：

由此得出應變計算公式：

其中，

受到溫度的影響，混凝土在長期應力作用下，其應變隨時間而持續增長的特性，因此在應變計算時，有時需要將徐變系數考慮在內。計算公式如下：

由此對公式（7）進行修正，得到

（3）承載測試

承載測試包括裂縫觀測以及極限承載力測試。針對前者，對混凝土梁橋結構試件產生的裂縫在肉眼觀察的基礎上，可以通過裂縫放大鏡、裂縫對比板等儀器設備進行輔助觀察。針對后者，通過下述公式計算得出。

其中，

2 結果與分析

2.1 混凝土梁橋結構撓度分析

基于撓度測試流程對混凝土梁橋結構試件進行撓度值分析。結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，從開始加載到100t應力時該混凝土梁橋結構的撓度雖然在降低，但是降低量并不大，說明該時期橋梁剛度較大，抵抗變形能力較強，但隨著預應力的不斷增大，增大到220t時，應力與撓度仍大致呈線性關系，應力下撓度仍能較大幅度恢復，但是在之后撓度開始大幅度降低，說明內部結構嚴重損傷，試件已經達到破壞階段，梁橋結構的撓曲變形已經相當明顯。

2.2 混凝土梁橋結構應變分析

基于JHYC靜態應變儀，分析得出的預應力與混凝土梁橋結構應變之間的對應關系如表4所示。

表4 混凝土梁橋結構應變值

從表4中可以看出，應變值的變化大致可以劃分為三個階段，具體如下：

（1）20t～120t彈性階段：預應力與應變之間呈現正向直線關系，即隨著預應力增大，應變也在增大。

（2）120t～200t彈塑性階段：應力與應變之間的直線關系被破壞，說明開始出現屈服。如果卸載，試件的變形只能部分恢復。

（3）200t～260t破壞階段：隨著預應力增大，應變在大幅度降低，說明試件已經完全變形，出現較大的裂縫或者斷裂，變形已經無法恢復，進入該階段的混凝土梁橋結構已經失去安全性。

2.3 承載測試

在不斷施加預應力過程中，混凝土梁橋結構試件在預應力達到200t時，出現很大的裂縫，肉眼可見，這時該混凝土梁橋結構已經達到承載極限，無法繼續發揮其功能。

3 結束語

綜上所述，受到地形、地勢的影響，道路交通在建設過程中經常遭遇阻礙，無法繼續下去，除了修建隧道解決凸起障礙外，橋梁的修建無疑是解決了峽谷、河流等凹陷區域的障礙，實現了交通道路的跨越。然而，本橋梁本身的架空性，使得其結構在經過多年荷載作用后發生變形等問題。針對上述問題，進行預應力混凝土梁橋結構的受力分析具有重要的現實意義。在研究中，以津石高速津冀界至保石界六分部的橋梁項目為例，通過試驗分析，明確了其梁橋結構的受力特征，為該橋梁后期維護奠定了基礎。然而，本研究仍具有改進的地方，即僅進行了靜態預應力下的受力分析，未進行動態預應力下的受力分析，研究存在一定的局限性，因此有待進一步深入研究。