装配式预应力空心板承载能力分析研究

（安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

1 引言

在水利工程桥梁施工过程中，装配式预应力混凝土空心板常用于水利桥梁结构中，由于水利工程需要存在改建、扩建设计、施工工艺不同、施工过程中出现异常、重载车辆过多等多种原因，装配式预制构件的承载能力尤为重要，因此，为了解装配式预制构件的承载能力及在运营利用中的安全储备，工程上往往采取检测手段对装配式预制构件进行承载能力极限状态进行破坏性验证实验，从而了解结构的安全储备情况，为工程后期的安全运营提供参考数据。

2 工程实例

2.1 工程1 破坏性静载荷试验

设计为后张法预应力混凝土简支空心板梁桥，桥面净空：净-9+2×1.5m，荷载等级：公路Ⅰ级，人群荷载：3.0kN/m2，标准跨径 20m，计算跨径 19.26m，共 20 跨，桥梁上部采用后张法预应力混凝土空心板结构，桥面宽12m，桥梁的总跨度为400m，纵向桥面连续共20 跨，单跨20m，共计180 片梁。具体数量如为中板（宽×高）1.24m×0.95m，总计140 片；边板（宽×高）1.24m×0.95m，总计40 片，空心板宽1.24m，板高95cm，混凝土强度为C50，设计荷载等级为公路-Ⅰ级，对一片中板进行破坏性试验。

荷载值计算：车道均布荷载qk=10.5kN/m；车道集中荷载Pk=2×（19.26+130）=298.5kN；由铰接板法计算跨中荷载横向分布系数，按照双车道布载，最不利板的横向分布系数为：mq中=0.244，mr=0.184，汽车荷载的纵向整体冲击系数μ ＝0.273。M汽车=（1+μ）mq中（qkl2/8+Pkl/4）=597.7kN·m；M人=mrqrl2/8=38.4kN·m，试验最大弯矩值（正常使用承载能力极限状态基本组合）为1.4M汽车+0.8×1.4×M人=880kN·m。

加载方式：中梁破坏性抗弯试验加载方式采用均布荷载进行加载。通过静载试验，实测的挠度数据结果见表1。

表1 工程1 实测的挠度数据结果表

该中板挠度-弯矩荷载曲线图如图1。由实测数据及挠度-弯矩荷载曲线图可以看出，该片中板在均布荷载作用下，最大加载值至1672kN·m时，该片板在板底部及侧面出现裂缝，持荷过程中裂缝逐渐变大。其承载能力极限状态荷载值可取为1584kN·m，空心板正常使用承载能力极限状态弯矩值为880kN·m，承载能力极限状态荷载值为1584kN·m，承载能力极限状态荷载值与正常使用极限状态下荷载比值为1584/880=1.8。

2.2 工程2 破坏性静载荷试验

设计为后张法预应力混凝土简支空心板梁桥，跨径18m，每跨9 块板，7 块中板，2 块边板，板宽1.24m，板厚0.9m，板与板之间用铰缝连接。桥面净空：桥面净-9+2×1.0m，荷载等级：公路Ⅱ级，人群荷载：3.0kN/m2，标准跨径18m，计算跨径17.3m，空心板采用C40 混凝土，单板宽b=1240mm，板高h=900mm，空心板上顶板和下底板厚度均为100mm，计算跨径：L0=17.96-2×0.33=17.3m。预应力刚进的合理点至空心板底边距离为a=150mm，因此空心板截面的有效高度为：h0=900-150=750。对一片中板进行破坏性试验。

表2 工程2 实测的挠度数据结果表

图1 工程1 试验板跨中板挠度-弯矩荷载曲线图

荷载值计算：qk=0.75×10.5=7.875（kN/m），车道集中荷载：pk=120+3×17.3=171.9（kN/m），有铰接板法计算跨中荷载横向分布系数得：

按照两列车布载，3 号板最不利，m3q=0.27，m3r=0.204，按照三列车布载，4号板最不利，m4q=0.346，m4r=0.183。横向布置车道数为3 时，横向折减系数为0.78，m4q=0.346×0.78=0.27，所以横向分布系数为：m3q=0.27，m3r=0.204，冲击系数μ=0.256，计入冲击力后，汽车荷载：M汽车=（1+μ）×0.27×（qkl2/8+pkl/4）=1.256×0.27×（0.125×7.875×17.32+0.25×171.9×17.3）=352.0（kN·m）人群荷载：M人=0.204×q人/8l2=0.204×（0.125×3.0×1.0×17.32）=22.9（kN·m）试验最大弯矩值（承载能力极限状态基本组合）为S=1.4×M汽车+0.8×1.4×M人=1.4×352+0.8×1.4×22.9=518.4（kN·m）。

加载方式：中梁破坏性抗弯试验加载方式采用集中加载方式进行加载。通过静载试验，实测的挠度数据结果如表2。该中板挠度-荷载曲线图如图2。

图2 工程2 试验板跨中板挠度-弯矩荷载曲线图

由实测数据及挠度-弯矩荷载曲线图可以看出，该片中板在均布荷载作用下，最大加载值至240kN时，该片板在板底部及侧面出现裂缝，在持荷过程中裂缝沿着钢绞线方向逐渐增大。其承载能力极限状态荷载值可取为228kN，空心板正常使用承载能力极限状态荷载值为120kN，承载能力极限状态荷载值为228kN，承载能力极限状态荷载值与正常使用极限状态下荷载比值为228/120=1.9。

3 结语

对于桥梁来说，在使用时桥梁的整体结构通常会受到很大的负载，这就要求预制构件在使用时具有较强的承载能力。通过对两工程破坏性试验空心板进行静载荷试验与分析可知，工程1 单片板的承载能力极限状态荷载值是正常使用极限状态下荷载值的1.8 倍，工程2 单片板的承载能力极限状态荷载值是正常使用极限状态下荷载值的1.9 倍，说明在外荷载作用下，空心构件的设计抗弯性能有较大的安全储备，在整体桥梁结构后期运营过程中的整体变形具有一定的安全储备，为该类桥梁设计、施工及后期运营管理提供参考■