既有预应力混凝土空心板梁抗弯承载能力试验研究

2022-12-15游勇利范小军谈勇郭景昆曹琪杨超

工程建设与设计 2022年22期

游勇利，范小军，谈勇，郭景昆，曹琪，杨超

（1.江西省公路科研设计院有限公司，南昌 330000；2.南昌师范学院，南昌 330032；3.华东交通大学，南昌 330003）

1 工程概况

昌九高速改扩建项目起点位于昌北枢纽互通北端K8+054，终点位于七里湖枢纽互通南端K103+602，途经南昌市新建区、九江市永修县、共青城市、德安县、柴桑区（九江县）、濂溪区（庐山区），扣除先行建设的通远试验段，路线全长87.819 km。全线按全封闭、全立交双向八车道高速公路标准建设，设计速度为100 km/h，整体路基宽41 m，分离式路基宽20.5 m，采用“两侧及单侧整体加宽为主+局部分离”方式进行改扩建。项目自2016年9月5日开工，于2019年9月30日基本建成通车。

为了考察昌九高速上实际使用20多年的14.2 m预应力混凝土空心板梁的抗弯性能、破坏形态及极限承载能力，本文对上述选取的预应力混凝土空心板梁进行了抗弯承载能力试验研究。

2 试验方案

2.1 加载装置

本试验在江西省天驰高速科技发展有限公司结构实验室进行，利用大型结构试验加载系统（MTS）完成相关试验内容。采用两点加载，纯弯段长度选取3 m的加载形式，用200 t竖向加载框架配合电液伺服作动器在分配梁上施加荷载。试验过程中支座中心间距设置为13.9 m。试验加载仪器与布置现场图如图1所示。

图1 承载能力试验现场布置图

2.2 加载制度

试验的加载方案采取“荷载+位移”分阶段控制方式。（1）首先，对试验梁进行预加载：0 t→10 t→20 t→10 t→0 t，解决非弹性变形问题，并且使试件各部位接触良好，进入正常工作状态，荷载与变形关系趋于稳定，同时也能检验试验装置的可靠性。（2）正式加载开始，在进入弹塑性阶段之前，以10 t的加载频率控制，加载至弹塑阶段每级荷载对应较大位移时，转为1 cm的位移控制方式直至梁板破坏。在不同等级的加载工况下分别保持负荷状态5 min，为相关检测人员记录应变、位移以及裂缝有无开展状况提供充足时间。加载过程中实时记录数据，并拍照记录试验梁加载过程，绘制荷载-位移曲线。

2.3 试验测试内容及方法

1）各级加载工况下各控制截面的挠度测试：挠度测点选取L/4、L/2和3L/4截面试验梁板底分别布置位移传感器，测量试验板梁加载过程中的挠度。试验梁加载点与侧面测点布置如图2所示。

图2 试验梁加载点与侧面测点布置图

2）裂缝发展情况记录：在试验梁表面用墨线弹上10 cm×10 cm的方格网，试验时用康科瑞智能裂缝测宽仪观测并记录裂缝宽度。加载至每级荷载稳定以后，记录裂缝的宽度、位置和发展趋势。试验完成后绘制整个梁体的裂缝分布图，并拍照记录。

2.4 试验加载过程

试验开始前，首先进行预加载，检查支座的平稳度及仪器装置是否正常。正式加载试验分级加载，每级荷载加载完成后的持荷时间一般在5 min，且每级加载时间保持相等。根据理论计算试验梁的开裂荷载和极限荷载，制定加载程序。

3 试验梁承载能力试验结果分析

3.1 试验宏观现象

试验梁正式加载过程中，当荷载加到217 kN时，应变片布置侧腹板底沿靠近跨中位置出现一条裂缝，长度约为7 cm，裂缝宽0.23 mm，此时面向应变片右侧作动器下伴随“砰”一声响。

当荷载加到244～290 kN时，前几级裂缝宽度开始增加，逐渐有新的裂缝出现。应变片布置侧出现多条接近顶板的裂缝，260 kN时面向应变片右侧作动器下传来一声“砰”响。

当荷载加到380 kN时，底板位置多条裂缝宽度接近1 mm，前几级裂缝宽度迅速增加，裂缝进一步扩展。试验梁纯弯段内，出现多处分布紧密且均匀的贯穿裂缝，裂缝间距为12～23 cm，裂缝宽度最大开展为0.7～1.0 mm；鉴于安全考虑，此后未进行裂缝宽度测量。

当荷载达到410 kN时，试验梁发出撕裂声音，紧接着一声巨响后，面向应变片右侧梁端腹板混凝土剪切脆性破坏（见图3a），另一端没有明显破坏，但在应变片布置侧桥面板与空心板之间出现顺梁方向通长裂缝（见图3b）；观察试验梁剪断一端，可以发现该斜裂缝与底板平面约呈40°夹角（见图3c），试验梁底面距离梁端约500 mm位置出现一条贯穿底面的横向裂缝（见图3d），对应端预应力筋拔出（见图3e）；另一端预应力筋未拔出，但存在明显松动（见图3f），另一侧桥面板与空心板之间出现顺梁方向通长裂缝。

综上，试验梁整体破坏图如图3所示，可以认为试验梁发生了一端底部受拉预应力筋整体拔出引起的腹板剪切脆性破坏。

图3 试验梁破坏现象

3.2 荷载-位移曲线

MTS试验控制系统可以获得加载过程中两个作动器的加载力和位移，因此，通过试验梁抗弯承载能力试验，分别获得了试验梁的开裂荷载、极限荷载和荷载-位移关系曲线。从加载开始到试验梁破坏，作动器1和作动器2的荷载-位移曲线如图4所示。

由图4可见，作动器获得的荷载-位移曲线发展规律为：当荷载施加开始后，荷载-位移曲线呈线性增长趋势；当作动器1与作动器2荷载之和大致为221.2 kN时，曲线出现小波动，并且开始进入弹塑性阶段，并认为此时对应荷载值为试验梁开裂荷载；随后，曲线随着位移的增加，荷载缓慢增长，曲线斜率逐渐降低，最终作动器1与作动器2荷载之和大致为868.0 kN时，试验梁发生脆性破坏，曲线骤降至零。