基于靜載試驗的預制梁承載能力評定方法分析

摘要：文章以某預制梁為靜載試驗對象，參照房屋建筑的靜載試驗方法，按預制梁靜載試驗荷載進行分級，采用適用性檢驗荷載、安全性檢驗荷載試驗工況，對該預制梁承載能力進行評定分析。結果發現，采用荷載試驗規范規定的檢驗荷載和安全性檢驗荷載差值達到40%；在預制梁試驗過程中，應使加載力沿整體截面傳力，避免由于加載點局部受力引起裂縫的產生；在對承載能力結果的判定中，要綜合考慮撓度及應變校驗系數、殘余系數的結果，同時應考慮彈性構件的加載線形吻合性及裂縫對結構承載能力的影響，分析裂縫成因，綜合評定預制梁的承載能力。

關鍵詞：預制梁；靜載試驗；承載能力評定；裂縫

中圖分類號：U446

0 引言

目前，在高速公路及市政橋梁的建設中，大量橋梁采用了預制T梁和小箱梁作為上部結構承重構件。在預應力混凝土梁預制過程中，由于施工控制不嚴，容易出現預應力度不足、混凝土澆筑不密實、強度不足、裂縫等病害，在項目建設過程中，需要通過單梁靜載試驗評價預制梁承載能力。江京翼等［1］以某預應力度不足的預制PC小箱梁為靜載試驗對象，發現小箱梁應變及撓度校驗系數不能完全反映試驗梁的使用性能和承載能力，須結合裂縫情況、實測位移及其理論值的線性相關情況綜合評定。張志強等［2］以某既有缺陷的預制T梁為研究對象，采用靜載試驗對其承載能力進行評定，并采用破損試驗進行驗證，發現內部存在澆筑缺陷。在以往靜載試驗的研究中，均以《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）［3］（以下簡稱《試驗規程》）為主要標準，采用的試驗荷載標準多采用恒載和活載（考慮沖擊系數）進行組合。本文參考房屋建筑中采用靜載試驗對構件承載能力評定方法，考慮設計中的荷載組合，可對預制梁檢驗荷載分為適用性檢驗荷載、安全性檢驗荷載、極限狀態承載能力檢驗荷載，對預制梁承載能力進行評價，可為類似工程預制構件承載能力評定提供參考。

1 傳統基于靜載試驗的承載能力分析方法

對于傳統的橋梁靜載試驗做法，主要依據《試驗規程》。其中規范第5.4.2條規定：靜載試驗荷載效率η，對交（竣）工驗收荷載試驗，宜介于0.85～1.05；否則，η宜介于0.95～1.05。η應按式（1）計算。

η=Sstat／S（1+μ）（1）

式中：Sstat——試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力或位移的最大計算效應值；

S——設計標準活荷載作用下，檢測部位位移或截面內力的計算值（不計沖擊作用時）；

μ——計算汽車荷載效應計入的沖擊系數，按相應的設計規范取用。

在預制梁的加載試驗中，由于還未達到成橋階段，式（1）中除考慮車輛荷載的作用，還應考慮實際施工過程的混凝土調平層及橋面鋪裝、防撞墻等荷載的影響。

2 基于橋梁設計狀態的靜載試驗分析方法

在實際的橋梁工程建設過程中，往往是由于施工過程中預制梁質量存在缺陷，如混凝土局部缺陷，有效預應力不足等。若采用傳統的靜載試驗的效率系數，往往由于加載力值較小，不能完全判定預制梁承載能力是否滿足原設計的要求。對此，本文參照房屋建筑的靜載試驗方法，按預制梁靜載試驗荷載進行分級，分為適用性檢驗荷載、安全性檢驗荷載、極限狀態承載能力檢驗荷載。

（1）構件適用性檢驗荷載的效應應大于可變作用標準值的效應與永久作用標準值的效應之和，即：

Qs=Gk+Qk（2）

式中：Qs——構件適用性短期結構構件性能檢驗值；

Gk——永久荷載標準值；

Qk——可變荷載標準值，對于汽車荷載，應考慮沖擊系數的影響。

（2）構件安全性檢驗荷載的效應應大于可變作用設計值的效應與永久作用設計值的效應之和，即：

Qd=γGGk+γQQk（3）

式中：Qd——構件安全性結構構件性能檢驗值；

γG——永久荷載分項系數，一般取1.2；

γQ——可變荷載分項系數，一般取1.4。

（3）構件極限狀態承載能力檢驗荷載為構件安全性檢驗荷載與結構重要性系數之乘積，即：

Qu=γ0（γGGk+γQQk）（4）

式中：Qu——構件極限狀態承載能力檢驗荷載值；

γ0——結構重要性系數。

結構實體中的構件靜載試驗，針對的是具體的構件，考慮到結構安全，一般不進行承載能力極限狀態的檢驗，加載至構件安全性檢驗荷載。

3 試驗結果判定

對于試驗結果，若滿足以下要求，認為結構承載能力滿足要求。

（1）結構應變與位移校驗系數lt; 相對殘余系數均lt;20%。

（2）對于線彈性工作狀態的結構，測點實測位移或應變與理論值呈現線形關系。

（3）結構裂縫寬度不超過相關規范的要求。

4 工程實例

4.1 橋梁概況

某橋上部結構為4×20 m預應力混凝土連續小箱梁，橋長87 m，全橋共1聯，上部結構采用預應力混凝土（后張）簡支變連續小箱梁；下部結構采用柱式墩臺，基礎均采用樁基礎，樁基按摩擦樁設計。汽車荷載等級：城-A級。

在施工中由于施工質量較差，預應力張拉設備故障等原因，業主對預制梁質量存疑，須評價預制梁的承載能力狀況。如圖1、圖2所示為抽取的邊跨中梁的立面圖及斷面圖。

4.2 試驗理論計算

采用剛接板法計算結構跨中橫向分布系數，采用杠桿法計算支點橫向分布系數，計算出結構適用性檢測荷載、安全性檢驗荷載。進行以下兩個工況的檢驗：

工況一：構件適用性檢測荷載；

工況二：構件安全性檢驗荷載。

計算結果見表1。

本次試驗采用千斤頂分級加載，加載共分16級，其中分級7為適用性檢驗荷載，即對應采用傳統靜載試驗方法加載力值，分級16為安全性檢驗荷載，由表2數據可見，安全性檢驗荷載比適用性檢驗荷載加載力值大40%，兩者加載力值具有較大差異。

4.3 試驗加載方式

根據現場檢測條件，制作反力架，千斤頂進行加載，加載示意圖見圖3。

4.4 測點布置方式

應變測點位于跨中截面（A斷面）梁頂、底面，每片試驗梁布置6個應變測點。見下頁圖4。

試驗同時觀測控制截面撓度變化情況，沿梁體四分點、支點布置撓度測點，共計5個測點。測點布置示意圖見圖5，采用數碼位移傳感器進行測試。

4.5 試驗撓度結果分析

逐級對加載過程中理論值與實測值結果進行比較，限于篇幅，如表3、圖6所示只列出了7級、14級、15級、16級的比較結果。

4.6 應變結果分析

逐級對加載過程中理論值與實測值結果進行比較，限于篇幅，如表4所示只列出了7級、14級、15級、16級的比較結果。

由表4數據可見，應變實測值均小于理論值，校驗系數lt; 相對殘余lt;20%，結構應變狀況良好。

4.7 裂縫測試結果分析

在進行3#～12#梁加載至16級630 kN時，發現在加載點左右腹板翼板與腹板交接位置出現縱向裂縫，左側腹板裂縫長度為2.14 m、寬度為0.05 mm，右側腹板裂縫長度為1.92 m、寬度為0.06 mm，隨后進行卸載，裂縫寬度變化如表5所示。

由表5可見，隨著荷載減少，裂縫寬度逐漸閉合，直至減少為0。

4.8 裂縫產生原因理論分析

在主梁加載過程中（圖7），在翼緣板底部的裂縫呈現左右對稱的形式，應為受力裂縫，推測是由于千斤頂局部加載導致裂縫的產生。對此，建立主梁的三維實體有限元模型，邊界按照實際模擬，千斤頂加載按照面荷載加載（后頁圖8）。

千斤頂加載力值作用下，在腹板與頂板交接處產生較大的主拉應力，最大主拉應力為4.56 MPa（計算結果見圖9），出現位置與實際加載過程中裂縫產生位置基本一致，據此可以判斷該裂縫是由于千斤頂局部加載，但加載力值沒有直接沿著腹板傳遞，從而導致產生局部裂縫。

在后續試驗梁的加載過程中，為了避免千斤頂的局部加載引起的裂縫問題，采用更大尺寸的分配力鋼板。

4.9 該主梁評價綜合結論

綜上，主梁撓度小于理論值，主梁加載力值與撓度基本呈線性關系，應變值小于理論值，在合理范圍內，抽檢主梁適用性和安全性均滿足設計規范的要求。主梁腹板與翼板交接處裂縫是由于千斤頂局部加載力產生的，不屬于預制梁結構承載力問題。

5 結語

本文提出了對存在缺陷的預制梁采用不同荷載等級的承載力評價方法，分別為承載能力適用性評價、承載能力安全性評價和極限狀態承載能力評價，并以某預應力混凝土小箱梁為試驗對象，采用靜載試驗的方法對預制梁進行承載能力安全性評價，主要結論如下：

（1）根據評價需求的不同，可采用不同的荷載對預制梁進行承載能力適用性評價、承載能力安全性評價和極限狀態承載能力評價。

（2）采用傳統的荷載試驗組合的加載力值和承載能力安全性評價荷載具有較大差異，在本例中差值達到40%。

（3）在預制梁試驗過程中，應使加載力沿整體截面傳力，避免由于加載點局部受力引起裂縫的產生。

（4）在對承載能力結果的判定中，要綜合考慮撓度及應變校驗系數、殘余系數的結果，同時應考慮彈性構件的加載線形吻合性及裂縫對結構承載能力的影響，分析裂縫成因，綜合評定預制梁的承載能力。

參考文獻

［1］江京翼，譚 鋒，鞠玉財.基于單梁靜載試驗的預制PC小箱梁承載能力分析方法［J］.橋隧工程，2020（10）：127-130.

［2］張志強，董麗娜.既有缺陷預制T梁單梁承載能力靜載試驗全過程分析［J］.北方交通，2021（11）：22-26，30.

［3］JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗規程［S］.

收稿日期：2023-10-18

作者簡介：王 正（1991—），碩士，工程師，主要從事橋梁檢測及設計工作。