公路预制梁静载试验方法及评定标准研究

胡 强,张 勇,巴 力

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

近年来，我国的桥梁事业发展迅速，桥梁建设的质量受到业内人士的广泛关注。建设单位、质监部门出台了许多相关的规定来控制建设中桥梁的质量，桥梁静载试验作为检验桥梁是否满足运营要求的最直接方式也越来越受到重视，2016年出台了相应的试验规程。公路及市政领域的桥梁均按照文献[1-2]进行试验评定。对于公路及市政桥梁使用较多的预应力混凝土预制梁，文献[3]对其试验荷载的计算方法进行了研究，文献[4-5]则对试验的具体实施过程及评定方法进行了研究。但是，在工程实践中，预制梁无附属设施的干扰，试验校验系数往往接近1.0，由于试验规范与设计规范[6]的不统一常导致误判，因此，制定专门的公路预制梁静载弯曲试验方法是非常有必要的。本文从现行公路桥梁静载试验方法出发，分析其存在的不足，结合广东省高速公路设计标准化课题，编制了《广东省高速公路设计标准化预应力混凝土预制梁静载弯曲试验方法及评定标准》[7]。

1 现行公路桥梁静载弯曲试验方法评述

桥梁静载试验的主要内容包括加载弯矩、测点布置、评定方法。下文对文献[1]中静载试验的加载弯矩、评定方法进行简要评述。

1.1 加载弯矩

文献[1]规定：静载试验的荷载效率ηq，对交(竣)工验收荷载试验宜介于0.85～1.05之间，否则ηq宜介于0.95～1.05之间。ηq计算式为

(1)

式中:Ss为静载试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或位移的最大计算效应值；S为 控制荷载产生的同一加载控制截面内力或位移的最不利效应计算值；μ为按规范取用的冲击系数值。

文献[7]对于预应力混凝土受弯构件的正截面抗裂验算规定：对于A类预应力混凝土构件，在作用(或荷载)短期效应组合下，应满足

σst-σpc≤0.7ftk

(2)

式中:σst为作用(或荷载)短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力;σpc为扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力;ftk为混凝土的抗拉强度标准值。

显然荷载试验规范与设计规范存在矛盾：式(1)中加载控制值S(1+μ)是考虑冲击的设计荷载，相当于设计规范中的汽车荷载标准值，而式(2)中σst为短期效应组合的应力值，其汽车荷载应不计冲击的影响且应乘以频遇值系数0.7，这样其汽车荷载值仅相当于式(1)中的0.5～0.6，当然式(2)中还考虑了温度、沉降等其他因素的影响，因此式(1)和式(2)存在较大差异。按现行的公路桥梁试验规范无法验证预制梁的抗裂性是否能满足设计运营荷载的使用要求。对于设计富裕度较小且后期温度、沉降产生的下缘应力较小的预制梁按现行荷载试验规范将导致预制梁在试验荷载下会产生开裂。

1.2 评定方法

现行公路桥梁荷载试验规范对于结构受力的评定方法主要包括相对残余及校验系数。

相对残余位移或相对残余应变计算式为

(3)

式中:Sp为试验荷载作用下测量的结构残余位移(应变)值;St为加载达到稳定时的相应测量值。

结构校验系数η计算式为

(4)

式中：Se为试验荷载作用下测量的结构弹性位移(应变)值;Ss为静载试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或位移的最大计算效应值。

文献[1]规定：对于相对残余ΔSp，第1次试验应小于αl，第2次试验应小于0.5αl，第3次试验应小于α1/6；对于校验系数η，应满足β<η≤α。β,α,α1值见表1。

表1 预应力混凝土构件残余及校验系数评价

该评价方法中的第1个指标是相对残余应变或位移，其限值为20%，即使对于加载过程中出现开裂的预制梁也较容易满足，因此，该指标意义不大。第2个指标是校验系数，与计算值有很大关系，当预制梁实际弹性模量与规范值相差较大时，计算值会产生较大偏差，因此该指标也不能完全反映预制梁的实际情况。对于预应力混凝土预制梁，仅仅采用校验系数进行评价存在一定的局限性，另一个主要评价指标应为抗裂性，预应力梁若抗裂性满足要求，其受力亦基本能满足。

2 预制梁静载弯曲试验方法及评定标准

如前所述，对于预制梁，文献[1]的试验方法及评定标准存在一定的局限性。参考文献[8]，在考虑公路桥梁特点的基础上，引用铁路预制梁试验方法中较为合理的部分，编制了《广东省高速公路设计标准化预应力混凝土预制梁静载弯曲试验方法及评定标准》，旨在控制公路预制梁的施工质量。以下对该标准中的关键部分进行阐述。

2.1 静载弯曲试验分类

将静载弯曲试验分为特殊静载弯曲试验及一般静载弯曲试验。特殊静载弯曲试验须对预制梁预应力度或抗裂性是否达到设计要求进行评价;一般静载弯曲试验则是对设计使用荷载下预制梁的静载弯曲抗裂性能进行检验。特殊静载弯曲试验主要用于控制整个梁厂的施工工艺，一般仅对首梁进行，另外在采用新结构、新材料、新工艺进行试生产时，生产条件有较大变动时，出现影响结构承载能力的缺陷时，交库技术资料不全或对资料发生怀疑时，亦应当进行特殊静载弯曲试验。

2.2 加载弯矩

对于特殊静载弯曲试验，主要对梁体的抗裂性进行检验。此时应使跨中截面下缘荷载总拉应力达到σpc+ftk(σpc为扣除试验时已发生的预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力)，即加载至预制梁的开裂弯矩，若预制梁抗裂性不满足要求，则还应进行预应力度的检验，此时应使跨中截面下缘荷载总拉应力达到σpc，即加载至预制梁的消压弯矩。对于一般静载弯曲试验，主要对短期使用荷载下的抗裂性进行检验，此时应使跨中截面下缘荷载总拉应力达到σst，即加载至短期效应组合值。

对于特殊静载弯曲试验有

式中：MK0为特殊静载弯曲试验跨中开裂加载总弯矩;MK1为特殊静载弯曲试验跨中消压加载总弯矩;W0为预制梁跨中截面下缘换算截面抵抗矩。

对于一般静载弯曲试验有

(7)

式中：Msj为跨中加载总弯矩;M1为计算截面变化前的恒载等效弯矩，对于空心板梁计算截面变化前的恒载包括预制梁自重、铰缝自重、混凝土整体化层自重,对于小箱梁及T梁计算截面变化前的恒载为预制梁自重、湿接缝自重;M2为计算截面变化后的恒载等效弯矩，对于空心板梁计算截面变化后的恒载包括沥青铺装层自重、防撞墙自重,对于小箱梁及T梁计算截面变化后的恒载包括混凝土调平层自重、沥青铺装层自重、防撞墙自重;M3为计算未完成的预应力损失的补偿弯矩;M4为计算汽车活载的等效弯矩;M5为计算温度梯度的等效弯矩;M6为计算不均匀沉降的等效弯矩;M2～M6应基于应力等效的原则进行计算。

2.3 加载分级

以短期效应组合作为基数级，加载弯矩与其比值作为加载等级。对于特殊静载弯曲试验，K0=MK0/Msj，K1=MK1/Msj;对于一般静载弯曲试验，K0=1.00。

对于某一加载等级，其加载弯矩计算式为

MK=KMsj-M11-Msb

(8)

式中：MK为各加载等级下跨中弯矩;M11为预制梁自重产生的跨中弯矩;Msb为加载设备产生的跨中弯矩。

特殊静载弯曲试验的加载等级按如下要求进行:

第1加载循环:初始状态→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基数级(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(20 min)→初始状态

第2加载循环:初始状态→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基数级(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(3 min)→1.05(3 min)→ …→静活载级(3 min)→…→活载级(3 min)→…→K0级(20 min)→初始状态

若在第2加载循环加载至K0级时梁体出现裂缝，应进行预应力度的验证加载。验证加载按如下要求进行：

验证加载循环:初始状态→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基数级(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(3 min)→1.05(3 min)→…→静活载级(3 min)→…→活载级(3 min)→…→K1级(20 min)→初始状态

一般静载弯曲试验的加载等级按如下要求进行：

初始状态→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基数级(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→静活载级(3 min)→活载级(3 min)→1.00(20 min)→初始状态

特殊静载弯曲试验中，各加载循环中基数级、静活载级、活载级、K1级应根据计算结果调整加载的次序。在预应力度的验证加载中，若活载级大于K1级则取消活载级;若静活载级大于K1级则取消静活载级。一般静载弯曲试验中，若活载级大于1.00级则取消活载级;若静活载级、活载级大于1.00级则取消静活载级、活载级。

2.4 评价标准

评价指标包括相对残余、应力及挠度校验系数、抗裂性或预应力度。

1)相对残余评价方法与文献[1]相同。

2)应力及挠度校验系数评价。对于预制梁的静载试验，由于没有桥面铺装等附属设施参与作用，在弹性模量有保障的情况下应力及挠度校验系数实测值与计算值接近，考虑到混凝土材料的变异性，采用1.05的限值较为合理。

3)对于特殊静载弯曲试验，应对预制梁的抗裂性进行评定，当预制梁抗裂性不合格时应对预制梁的预应力度进行评定。

①抗裂性评价。在K=K0加载等级下持荷20 min，梁体下缘底面未发现受力裂缝或下缘侧面(包括倒角、圆弧过渡段)的受力裂缝未延伸至梁底边，则评定该梁抗裂性合格，否则评定为不合格。

②预应力度评价。在K=K1加载等级下持荷20 min，梁体下缘底面未发现受力裂缝或下缘侧面(包括倒角、圆弧过渡段)的受力裂缝未延伸至梁底边，评定该梁预应力度合格，否则评定为不合格。

4)对于一般静载弯曲试验，应对预制梁在设计荷载下的抗裂性进行评定。在K=1.00加载等级下持荷20 min，梁体下缘底面未发现受力裂缝或下缘侧面(包括倒角、圆弧过渡段)的受力裂缝未延伸至梁底边，评定该预制梁抗裂性满足设计荷载的正常使用要求，否则评定为不满足。

3 结语

为了保证公路预制梁的质量，应该从设计标准化及施工标准化2方面出发同时提高设计和施工水平。预制梁的静载弯曲试验是直接检验设计及施工合理性的最直接方法，应在梁厂预制阶段予以充分重视。目前公路尚无成熟的针对预制梁的静载弯曲试验检验办法及评价标准，《广东省高速公路设计标准化预应力混凝土预制梁静载弯曲试验方法及评定标准》的编制是有益的补充，但所作的研究难免存在疏漏，在后期的实践中将对该办法不断进行完善、修改。