既有缺陷预制T梁单梁承载能力静载试验全过程分析

张志强，董丽娜

(1.河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司 石家庄市 050091；2.河北省公路安全感知与监测重点实验室 石家庄市 050091；3.河北省道路工程智能监测与运维技术创新中心 石家庄市 050091)

目前，中小跨径梁式桥上部结构多采用装配式预应力混凝土梁板，梁场预制已采用标准化施工，建造速度和工程质量得到大幅度提高，但由于大规模预制施工时影响因素控制不当，会造成个别预制梁板产生一定的施工缺陷，如裂缝、空洞、离析等。为了判别施工缺陷对预制梁板受力性能的影响程度，检验既有缺陷预制梁板的实际工作状态和承载能力能否满足设计要求，往往在施工阶段进行裸梁静载试验，在相当于设计荷载的试验荷载作用下，获取试验梁体主要控制截面的应变、变形、裂缝等关键参数试验结果，综合评估既有缺陷预制梁板的强度、刚度以及抗裂性等实际结构性能是否满足设计要求，为缺陷梁板的后续处治提供依据和同类工程提供工程参考[2-3]。

1 工程概况

某桥上部结构采用1-13m装配式预应力混凝土简支T梁，单幅桥宽0.5m防撞护栏+净11.4m+0.34m防撞护栏，横向布置8片矮T梁，梁高90cm，中梁顶宽100cm，边梁顶宽110cm，湿接缝宽57.7cm，混凝土采用C50，设计为预应力混凝土A类构件。桥面铺装采用12cm厚C50防水混凝土现浇层+10cm厚沥青混凝土铺装。设计荷载为现行公路—Ⅰ级。其中1-3#T梁浇筑施工后腹板距梁底0.4m高度范围内混凝土浇注不良离析、分层，个别位置粗骨料外露，如图1所示。在架设预制梁前，为检验既有浇筑缺陷1-3#T梁承载能力和受力性能是否满足设计要求，对1-3#T梁进行裸梁静载试验，依据试验结果对既有施工缺陷梁板进行后续处治。

图1 1-3#T梁腹板浇筑缺陷概况

2 试验控制荷载确定

由于预制状态的裸梁尚未进行后续施工过程，其静载试验不同于成桥静载试验，计算分析与试验原则存在较大差异。如何以成桥状态为基准确定裸梁的试验控制荷载，成为单梁静载试验的关键工作，目前常用的方法主要为基于控制截面内力等效和基于控制截面应力增量等效[1]。

(1)基于控制截面内力等效，即不考虑施工过程和桥面现浇层参与结构受力，将二期恒载(湿接缝、桥面现浇层、桥面铺装、护栏等)和设计车道荷载作用于成桥状态裸梁上，确定单梁静载试验控制荷载。

(2)基于控制截面应力增量等效，即充分考虑成桥施工过程和桥面现浇层不同程度参与上部结构主梁共同受力[4]，以不同施工阶段不同截面特性主梁的累计应力增量为基准，确定单梁静载试验控制荷载[3]。

全桥仿真模拟计算分析模型如图2所示，按照不同计算分析方式试验控制荷载计算结果如表1所示。

图2 仿真模拟计算分析模型

表1 不同计算分析方式试验控制荷载计算结果表

由表1可知：方式一较方式三控制弯矩值大，相差17%，说明桥面现浇层参与预制矮T梁结构受力程度较大，方式三较方式二控制弯矩值大，相差5%。充分考虑裸梁状态至成桥状态施工及受力全过程，采用基于累计应力增量的方法(考虑2/3桥面现浇层参与受力[4])确定静载试验控制弯矩，即跨中截面控制弯矩为779.14kN·m。

3 试验加载与测试

3.1 试验加载

基于跨中控制截面弯矩等效原则，本次静载试验利用加载块分层堆放进行加载[2]，沿梁体纵向加载范围为6.0m。满载时加载配重总重为37.26t，跨中截面试验弯矩为815.6kN·m，荷载效率为1.05。试验荷载加载分级及加载效率如表2所示，试验加载块布置示意图、受力简图如图3和图4所示。

表2 试验荷载加载分级及加载效率表

图3 试验加载块布置示意图(单位：cm)

图4 试验荷载加载受力简图(单位：cm)

试验加载主要程序：

(1)首先进行测试截面、测点位置放样，并安装应变、挠度传感器，连接调试试验数据采集系统。

(2)在跨中6m范围内均匀布置方木，并用细沙调平。

(3)进行预加载试验，观察试验梁体反应，同时检查测试系统正常工作。

(4)为分析试验梁体主要控制截面应变、挠度随荷载变化的规律性，同时保证加载过程安全可靠，分3级加载至试验荷载，加载效率分别为37%、78%、105%，分1级卸载至初始状态。

(5)每级荷载施加后，待结构反应稳定后，读取本级测试数据。

(6)试验加载的全过程中，注意实时观察试验梁体状态，若主要控制截面的应变或挠度实测值超过理论值，结构受力裂缝长度、宽度、数量急剧增加，实测变形分布规律异常，梁体发出异常响动，支撑台座发生失稳或其他异常情况等，应终止试验加载，查清具体原因后，确定是否继续试验加载。

图5 1-3#预制T梁试验加载

3.2 试验测试内容

依据预制T梁结构有限元计算分析结果，按照结构最不利受力原则和代表性原则，选取试验梁梁体跨中截面(A截面)、L/4截面(B截面)、3L/4截面(C截面)作为主要控制截面进行测试。为充分反映预制T梁结构应变、挠度及裂缝最不利控制截面的力学特征，本次单梁静载试验的主要测试内容：

(1)在各级试验荷载作用下试验梁体跨中、L/4、3L/4截面挠度。

(2)在各级试验荷载作用下试验梁体跨中截面应变。

(3)试验梁体裂缝及其他异常现象的试验加载全过程实时监测[1]。

试验梁主要测试截面和测点布置如图6～图8所示。

图6 1-3#预制T梁主要测试截面布置图(左侧为小桩号，单位：cm)

图7 主要测试截面应变测点布置图(单位：cm)

图8 主要测试截面挠度测点布置图(单位：cm)

4 试验结果分析

4.1 挠度试验结果分析

在各级试验荷载作用下，1-3#预制T梁各测试截面挠度变形实测结果如表3、图9、图10所示。

图9 1-3#预制T梁实测挠度变形图

图10 1-3#预制T梁实测挠度与理论值相关图

表3 试验荷载作用下1-3#预制T梁挠度实测结果(单位：mm)

2.上述挠度数据已进行支点修正

由表3、图9和10可知，在相当于设计荷载作用下，1-3#预制T梁挠度校验系数在0.59～0.70之间，相对残余挠度在9.0%～17.4%之间，实测挠度与理论值之间基本呈线性关系。其挠度校验系数均小于1，基本与本桥浇筑完好的同类预制T梁试验结果(0.52～0.75)相吻合，但相对残余挠度虽满足小于20%，但已接近限值，同时较本桥浇筑完好的同类预制T梁试验结果(0.1%～4.5%)偏大，表明1-3#预制T梁结构弹性工作状况偏差。

4.2 应变试验结果分析

在各级试验荷载作用下，1-3#预制T梁L/2测试截面应变实测结果如表4、图11、图12所示。

图11 1-3#预制T梁L/2截面实测应变沿梁高分布图

图12 1-3#预制T梁L/2截面实测与理论应变沿梁高分布图

表4 试验荷载作用下1-3#预制T梁L/2截面应变实测结果(με)

2.上述应变数据已取左右对称测点的平均值

由表4、图11和12可知，在相当于设计荷载作用下，1-3#预制T梁应变校验系数在0.68～0.85之间，相对残余应变在-1.4%～14.6%之间，实测应变与理论值之间基本呈线性关系，基本符合平截面假定。其应变校验系数均小于1，基本与本桥浇筑完好的同类预制T梁试验结果(0.66～0.85)相吻合，但相对残余应变虽满足小于20%，但已接近限值，同时较本桥浇筑完好的同类预制T梁试验结果(3.1%～8.8%)偏大，表明1-3#预制T梁结构弹性工作状况偏差。

4.3 抗裂性能试验结果分析

试验加载前，对梁体外观进行详细检查，未发现可见受力裂缝。在第2级试验加载时，发现试验梁腹板新出现纵向、竖向裂缝，呈十字交叉状，立即观测对新裂缝的长度、宽度及分布走向等变化情况。试验梁腹板新裂缝观测结果如表5、图13、图14所示。

表5 试验荷载作用下1-3#预制T梁梁体新裂缝观测结果

图13 试验荷载作用下1-3#预制T梁腹板新裂缝展开示意图

图14 试验荷载作用下1-3#预制T梁腹板新裂缝分布图

在相当于设计荷载作用下，1-3#预制T梁左腹板新生裂缝长度0.1～0.2m，宽度典型值为0.06～0.10mm；卸载后裂缝长度和宽度均未闭合。新增裂缝宽度超过文献[7]规定的容许值，卸载后扩展宽度未闭合到容许值的1/3，不满足文献[5]相关要求。

5 试验结果验证

鉴于该预制T梁浇筑缺陷程度和静载试验结果，为确保工程质量安全，对该梁进行废弃处理，在破除时发现腹板分层离析部位粗骨料积沉，而腹板上半部几乎无粗骨料，导致其抗拉强度低，这与试验过程中该梁弯剪区段主拉应力轨迹区域内新生裂缝相吻合。1-3#预制T梁腹板内部混凝土状况见图15。

图15 1-3#预制T梁腹板内部混凝土状况

6 结语

(1)在相当于设计荷载作用下，1-3#预制T梁应变校验系数为0.68～0.85，挠度校验系数为0.59～0.70，满足文献[6]要求；相对残余应变为-1.4%～14.6%、相对残余挠度为9.0%～17.4%，虽满足文献[6]小于20%的要求，但已接近限值，同时较本桥浇筑完好的同类预制T梁试验结果偏大，其结构弹性工作状况偏差。

(2)在相当于设计荷载作用下，1-3#预制T梁腹板在弯剪力区段主拉应力轨迹区域内新生裂缝，其宽度超过文献[7]规定的容许值，卸载后扩展宽度未闭合，不满足文献[5]相关要求。

(3)综合表明该既有施工浇筑缺陷预制T梁的受力性能不满足设计要求。

(4)该预制T梁腹板下部混凝土粗骨料积沉，上部混凝土几乎无粗骨料，与静载试验结果相吻合，反应了单梁静载试验评估既有施工浇筑缺陷是否影响预制梁板承载能力的可靠性。