在役空心板单梁破坏试验分析

孙粉粉

（山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）

引言

钢筋混凝土空心板梁桥是我国中小跨度桥梁中广泛采用的结构形式之一［1-2］。随着公路通行能力和服务水平不断提高，对服役桥梁的各项性能提出了更高的要求，而在外界诸多不利因素的长期影响下，服役桥梁病害逐渐增多，损伤程度不断加深，结构性能逐渐退化［3-4］。唐昌辉等借助破坏试验分析了无黏结预应力钢筋混凝土梁的抗弯承载力，高迪等对配置高强不锈钢的钢筋混凝土梁进行了抗弯承载能力破坏试验研究［5-7］。上述研究均通过承载能力极限状态下破坏试验的开展对试验对象的受力性能进行分析，但所采用的均为缩尺试验构件，该类构件制作相对简单，且便于开展各类参数分析，但难以对桥梁结构构件实际服役过程中的各类随机性因素进行全面考虑。研究通过对济青高速公路服役20 余年的8 m 跨度钢筋混凝土空心板梁单梁破坏性加载试验，得出现有状况下的极限承载力，为设计、加固、养护和检修提供参考［8］。

1 实体梁概况

济青高速8 m 的空心板桥原设计板厚为40 cm，后桥面铺装经改造加铺至17 cm。现场切割过程中，刀具自铰缝垂直向下切割，切割完成后再对梁板吊运，得到的空心板为包含17 cm 厚混凝土铺装及部分铰缝混凝土的矩形开孔截面，开孔直径为9 cm，见图1。8 m 钢筋混凝土空心板材料采用C25 混凝土，底板布置8 根φ25 mm 的主筋，钢筋保护层厚度为31 mm。

图1 空心板桥梁横断面（cm）

2 试验方案及试验前准备

2.1 试验方案

选用反力架+千斤顶施加等效荷载的加载方式，在距离跨中1 m 处布置分配梁，采用等弯矩加载，见图2。梁体挠度、应变布置：（1）挠度：布设在支点截面、L/4、L/2、3L/4 截面，梁板两侧各布置一个，共计10 个测点；（2）混凝土应变：选取跨中截面的左右腹板各布置6 个应变测点，间距10 cm，同时在跨中附近5 cm 处左右腹板再分别布置3 个应变备用测点，底板布置2 个应变测点；（3）钢筋应变：在跨中底板两侧主筋位置凿除表面混凝土，露出纵向主筋，在其上粘贴钢筋应变片。布置见图3。梁板加载见图4。

图2 单梁抗弯试验加载（mm）

图3 位移和应变布置

图4 梁板加载

2.2 试验前准备

（1）对梁体进行全方位清洗；（2） 对空心板几何尺寸进行复测；（3）用数字回弹仪对混凝土测强；（4） 用一体式钢筋扫描仪对受拉主筋的位置、数量及直径进行复核，并与设计信息进行比较；（5）检查空心板的初始状态，将原有裂缝进行测量并做好标记，将两侧腹板划分为高10 cm、宽10 cm 的矩形网格，作为混凝土表面裂缝的记录参考坐标系统，可以将试验进行过程中出现的裂缝描绘在梁上，记录裂缝出现时相应的荷载大小。同时对试验梁进行承载力计算，考虑混凝土铺装层参与共同受力时跨中截面理论抗弯承载力为530 kN·m，而结构自重在跨中截面产生的正弯矩为113 kN·m。

2.3 试验终止条件

当试件出现情况之一时，即认为构件破坏［9］：（1）构件的受拉主筋断裂；（2）弯曲挠度达到跨度的1/50；（3）受拉主筋处裂缝宽度达到1.5 mm 或钢筋应变达到0.01；（4）弯曲受压区混凝土受压开裂、破碎。

3 结果分析

3.1 挠度分析

试验梁加载后荷载-位移曲线见图 5，可知随着荷载增加，跨中挠度增长速率逐渐变大，曲线曲率逐渐变大，当加载至484 kN 时曲线曲率迅速变化，表明普通钢筋屈服并进入短暂屈服强化阶段。当荷载继续增加，位移剧增，此时荷载持荷基本稳定，当荷载达到529 kN 时试验梁破坏，此荷载为试验梁极限荷载。由此得出实测的抗弯极限承载力为746 kN·m，按规范计算所得抗弯承载力为530 kN·m，参照《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）考虑自重的弯矩组合值为437 kN·m，可以得到自重效应后的实测抗弯承载力大概是规范计算抗弯承载力的1.62倍，是弯矩组合设计值的1.97 倍。

3.2 混凝土应变

跨中最顶部混凝土的受力情况，其应变随荷载变化见图6。可知，加载阶段初期，梁顶混凝土压应变近似呈线性变化。随着荷载的增加，当加载至320 kN时，应变增长速率加快，而当加载至483 kN 后，其顶部压应变反而呈减小状态，归因于裂缝沿梁高向上开展，梁顶混凝土受压区高度逐渐减小。

图6 混凝土应变-荷载曲线

3.3 钢筋应变

跨中钢筋应变-荷载曲线见图7，加载前期钢筋应变和荷载基本呈线性变化，当加载至468 kN 时，钢筋进入屈服强化阶段，此时钢筋应力为361 MPa，之后钢筋应变剧增，而施加荷载增长率不足10%。

图7 钢筋应变-荷载曲线

3.4 裂缝观测

随着荷载的增加，试验梁受拉区不断出现新裂缝，裂缝不断向上开展，混凝土应变、钢筋应变、挠度变形不断增大，裂缝不断开展。最终破坏时，裂缝纵向间距约为20 cm，基本出现在箍筋位置，裂缝最大宽度约2.0 mm，在腹板向上延伸最大长度46 cm，破坏后的裂缝展开图见图8。

图8 梁破坏后梁体裂缝分布（cm）

4 结语

（1）空心板破坏试验所得到的跨中挠度-荷载曲线呈明显的两折线变化规律，实测抗弯承载力大概是规范计算抗弯承载力的1.62 倍，是弯矩组合设计值的1.97 倍。（2）破坏试验过程中，距离梁底较高的混凝土压应力呈现先增后减的趋势，该变化主要是由于裂缝沿梁高向上不断开展，梁顶混凝土受压区高度逐渐减小。（3）梁体损伤开裂后裂缝分布较为规律，纵向间距约为20 cm。最终破坏时，裂缝最大宽度约2.0 mm，在腹板向上延伸最大长度46 cm。（4）由于钢筋经历较大的塑性变形阶段，构件破坏前有较为明显的预兆，随之引起裂缝急剧开展和梁挠度的增加，整个破坏过程相对缓慢。