既有钢筋混凝土装配式空心板梁实验测试分析

2013-08-07刘苗

城市道桥与防洪 2013年11期

关键词：板梁预制板梁体

刘苗

（兰州交通大学，甘肃兰州 730070）

1 结构简介

1.1 工程概况

跨度为13.0 m装配式普通钢筋混凝土简支空心板梁桥，桥梁全宽12 m，车行道净宽11 m，两侧安全带各宽0.50 m。

横截面由七片宽124 cm（中板）和两片宽166 cm（边板）的单孔预制空心板通过约20 cm的纵向混凝土铰缝粘接而成，预制空心板高60 cm。桥面设2%双面排水坡。

桥面铺装层为10 cm厚防水混凝土和5 cm厚沥青混凝土。

1.2 主要材料

预制梁：40号混凝土；

受力钢筋：Ⅱ级螺纹钢筋；

构造钢筋：Ⅰ级光面钢筋。

1.3 存在的工程问题

在工程建设单位组织的质量大检查中，发现该小桥工点存在如下问题：尽管混凝土试块强度满足要求，但预制钢筋混凝土梁的混凝土回弹值偏低，且由此推算的梁体混凝土强度不符合设计要求，因此，对预制钢筋混凝土梁的整体混凝土强度存在怀疑。

2 试验目的

为确保工程施工质量、同时也减少不必要的经济损失，受施工单位委托，在成品预应力钢筋混凝土空心板梁中随机抽取一片板梁进行静荷载试验，检测与分析受检预应力钢筋混凝土空心板梁的受力、变形、裂纹开展与分布特性。

通过静荷载试验，达到如下的工程检测目的：

（1）检测鉴定预制板梁的实际承载能力和正常使用性能；

（2）评价预制混凝土板梁的总体施工质量；

（3）推测该批预制板梁的承载能力及正常使用性能。

3 试验检测方案

3.1 试验梁的选择

根据对现场预制钢筋混凝土成品板梁的外观检测，挑选外观质量最差的一片板梁进行试验检测、分析与评估。

3.2 试验理论依据

梁式桥为受弯结构，在结构自重与设计荷载作用下，桥跨结构主要承受弯矩，同时因横力弯曲而承受剪力。简支梁的最大弯矩出现在各跨跨中区域（正弯矩），简支梁的最不利受剪区域约在各支点处1/4范围内。

预制板梁组成的桥跨结构为简支结构，因而其在成桥状态下的受力模型是简支梁模型。由于成桥状态下预制板梁仅为桥跨结构的一个受力单元，各受力单元间通过铰缝联结而协同受力，因而在成桥状态下预制板梁单元的受力与单片简支板梁的受力方式存在明显差异—板梁构件与桥跨结构的板梁单元受载边界约束条件不同。

为了检测评价桥梁预制构件在使用荷载作用下的使用性能及实际承载能力，只须对其施加等效试验荷载（使预制构件产生的理论荷载效应与其作为桥跨结构板梁单元、在设计荷载作用下产生的理论荷载效应相同），通过观测板梁预制构件在等效试验荷载作用下的结构实际荷载反应，推断其作为桥跨结构受力单元的结构表现，评价其实际承载能力。

3.3 试验荷载的确定

根据试验相似理论和结构检测的目的，采用载荷（结构控制内力）等效的原则确定试验荷载。通过分析计算作为桥跨结构受力单元的板梁构件在各种荷载因素作用下的截面内力，按照内力等效的原则，确定受检试验梁所需施加的等效试验荷载量值。

3.4 结构试验与分析方法

对受检预制混凝土板梁进行分级加载，观测与记录在各级试验荷载作用下受载板梁四分点与跨中截面的应力、支点及跨中点的变形和梁体的裂纹状态。

根据现行桥梁设计规范、桥梁设计的相关理论，对试验测试结果进行理论分析与评价，进而评估结构总体施工质量，推测混凝土梁的实际承载能力和使用耐久性。

通过对试验梁体应力、挠度及开裂状态分析，判断钢筋混凝土梁的荷载表现。

监测梁体结构应变和位移的测点布置位置见图1。

图1 梁体各截面位移、应变测点图

3.5 试验荷载的确定

（1）成桥状态下预制板梁跨中最大荷载弯矩值

一般，桥跨结构承受的荷载分为：一期恒载（桥梁自重）、二期恒载（水泥调平层、桥面铺装、栏杆等）、活载（汽车、平板挂车）、其它荷载（支座沉降、温度、混凝土徐变）。

因桥跨结构为简支受力结构，所以，在成桥状态下结构承受的荷载为：一期恒载（桥梁自重）、二期恒载（水泥调平层、桥面铺装、栏杆等）及活载（汽车、平板挂车）三类荷载。

对受检预制板梁采用与成桥状态完全相同的支撑跨径，则受测试验板梁所需施加的试验荷载应与成桥状态下该试验板梁承担的二期恒载（水泥调平层、桥面铺装、栏杆等）效应+活载（汽车、平板挂车）效应等效。

根据桥梁设计理论，在成桥状态下板梁跨中截面承受的二期恒载和活载（汽车、平板挂车）弯矩效应计算值见表1。

表1 在成桥状态下板梁跨中截面弯矩设计值（单位：kN·m）

（2）试验等效荷载

预制板梁的试验状态为简支状态，因采用与桥跨相同的支撑跨径，因此，板梁自重荷载效应已经作用在试验梁体上，所以试验梁还需施加的荷载应与二期恒载及车辆荷载在板梁跨中产生的弯矩等效。

二期恒载+车辆荷载的等效弯矩为：

试验梁支撑跨径为19.3 m，根据现场试验条件，采用在跨中5.5 m的范围内进行堆载的方式进行预制板梁的荷载试验，则试验荷载总值为：

式中:a—— 跨中匀布荷载的分布长度，单位m；

G——试验荷载总量，单位kN;

MJ——与试验状态相比，成桥状态下板梁跨中弯矩增加幅值,单位kN·m;

L支——试验梁实际支撑跨径，单位m；

ηq——试验效率系数，0.80≤ηq≤1.05。

根据上述计算公式，确定所需试验荷载总量G。

4 试验实施过程

4.1 梁体的支撑

在预制台座上分别用四个橡胶板支座和两根宽约20 cm、厚约6 cm的方木支撑试验梁两端，两支点的中心距离11 000 mm，见图2。

图2 试验加载及测点布置示意图

4.2 试验实施与荷载总值

根据现场的实际条件，采用堆载方式进行加载，堆载物为50 kg的袋装水泥，为保证在跨中550 cm的范围内顺利堆放水泥，在梁顶横向放置一排方木。

试验梁分五级加载：

第1级荷载总荷载值为G1=36.0 kN

第2级荷载总荷载值为G2=99.0 kN

第3级荷载总荷载值为G3=130.5 kN

第4级荷载总荷载值为G4=162.0 kN

第5级荷载总荷载值为G5=184.5 kN

第6级荷载总荷载值为G6=193.5 kN

按照前述公式，荷载总重量为G6=193.5 kN时，计算的荷载效率系数ηq为1.055，满足规范要求。

每级荷载施加后静置5～10 min，待变形稳定后量测梁体应变与变形，并观测裂纹。

5 测试结果及分析

5.1 结构挠度的实测值、计算值与分析

根据各级荷载下测点位移的记录值求出了相应的跨中挠度值，同时按照规范计算了各级荷载下跨中理论挠度值（弹性模量取3.3×104MPa计算）。

从各级荷载作用下跨中挠度实测值与计算值的比较不难发现：除第一级荷载外，实测挠度与计算理论挠度比值ηw（结构位移校验系数）值多在0.6～0.8之间。

由有关文献查得的无缺陷预应力钢筋混凝土梁的结构位移校验系数一般在0.70～1.0之间，可见，试验梁的变形特性正常，梁体混凝土的整体强度达到了设计要求。

在最大试验荷载作用下，跨中挠度实测值fs=5.09 mm，根据规范第4.2.3条的规定，最大竖向挠度允许值为[ f]=18.3[ f]=Lp/600=11 000/600 mm，可见 fs≤[ f]。

挠度检测结果表明：混凝土梁整体变形性能优良，满足规范对结构挠度的要求。

5.2 结构应力的实测值、计算值与分析

根据各级荷载下测点应变的记录值求出了相应测点在各加载时刻的应力值（因堆载产生的测点应力值，40号混凝土弹性模量取E=3.3×104MPa），同时按照结构设计原理的平截面假定计算了各级荷载阶段相应测点的理论应力值，在计算出中性轴位置后，按照材料力学弯曲应力理论计算测点应力值。

对各级荷载作用下测点应力的实测值与理论应力计算值的对比分析发现：测点的实测值与计算值吻合良好；但在某些工况下某些测点的实测值与计算值差异较大；实测值对称性较好。

上述现象说明试验梁的结构对称性较好，同时表明布片的对称性也控制较好，另外堆载对称性良好。可以认为测试结果在总体上是有效的，应力的测试值与分析值基本反应了试验梁的应力状态。

各级荷载作用下测点应力的实测值与计算值的比较不难发现：混凝土的实测应力远低于理论计算应力，两者间的差异来自于理论计算的简化假定—非弹性体的弹性体简化。混凝土的实测应力与计算应力的平均比值ησ（结构应力校验系数）为0.77，个别ησ值超过了0.90，正常预应力钢筋混凝土板梁的应力校验系数一般在0.60～0.90之间。考察测试结果发现，ησ值超限的测点有两类：受拉区测点，可能应变片长度范围内发生了混凝土开裂；受压区测点，可能应变片出现异常，为无效测点。