预制预应力混凝土箱梁典型质量缺陷试验研究

刘帅鹏

（河南交院工程技术集团有限公司，河南 郑州 451460）

0 引言

预制预应力混凝土箱梁由于拆迁征地、资金不到位、工程延期、天灾、施工中质量控制措施不规范、运输或吊装中的意外影响等各种原因，工程建设过程中存在超期存放、倾倒、翻滚、水冲、破损、开裂等情况，致使存在这些缺陷的梁体承载能力能否满足设计和规范要求存在疑问。由于具体工程的个体性及唯一性，使得具体工程实际状态与理论上存在差异，特别是受到不良影响后，为了更好地指导施工、保证质量及安全等工程需要，具体工程的统计数据积累就显得尤为重要。这些存在缺陷的梁体可依据规范，按要求进行静载试验，分析其是否满足设计、规范要求。不满足要求的梁体应弃用或在保障安全的情况下降级使用，尽量减少或避免已投入的资源浪费。本次选用实际工程中存在超期存放并伴有倾倒、翻滚、水冲、破损、开裂等情况中的一种或几种的30 m 预制预应力混凝土箱梁10榀作为试验梁，利用Midas Civil 软件进行单梁建模，在等效荷载作用下计算理论值。依据相关标准、规范进行单梁静载试验，采集试验数据，并对数据进行统计分析，为存在缺陷的预制预应力混凝土箱梁的承载能力判定提供数据参考。

1 试验材料和设备

试验所用材料为存在超期存放并可能有倾倒、翻滚、掩埋、破损、开裂等情况中的一种或几种的30 m预制预应力混凝土箱梁10榀。

预制箱梁采用C50 混凝土，混凝土重力密度γ=26.0kN/m3，弹性模量Ec=3.45×104MPa。预应力钢筋弹性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率p=0.035，松弛系数ζ=0.3。设计汽车静载：公路-Ⅰ级，利用Midas Civil 软件进行单梁有限元分析，在等效荷载作用下计算理论值。主要仪器设备为东华无线静态应变系统、电阻应变片、直线位移计，主要辅助工器具有重型吊车、配重块等。

2 分析内容和试验方法

2.1 分析内容

该试验分析内容具体为：①试验梁在各级静载作用下L/4、L/2 和3L/4 截面的挠度情况；②试验梁在各级静载作用下L/4、L/2、3L/4 截面的应变情况；③试验对象是存在缺陷的箱梁，只对静载试验的挠度和应变进行分析，对试验梁的裂缝发展情况不做分析。其中L为试验梁长度。

2.2 试验方法

该试验测试混凝土应变采用DH3819 东华无线静态应变模块及自动采集系统，BE120-3AA（11）电阻应变片作为测试元件，测试范围为-1 500～1 500 με，测试精度为0.1 με，试验时进行自动采集和记录。

该试验测试试验梁挠度，采用DH3819 东华无线静态应变模块及自动采集系统，5G103 直线位移计为测试元件，测试范围为50 mm，分辨率为0.005 mm，试验时进行自动采集和记录。

正式试验前，用试验最大加载量的30%荷载对试验梁进行预压［1］，同时对测试系统进行自检，显示处于正常工作状态时，获取预压数据。正式试验开始时，首先进行零荷载的初值获取。试验过程中，在增大一级荷载之后，当结构变形处于相对稳定状态［2］，自动采集系统实时显示的数据不变或上下很小范围浮动时，获取数据并进行下一级加载，直到加载到最大试验荷载。一次平稳卸载至零荷载，卸载过程不采集数据，试验梁相对稳定后进行最后的数据采集。

3 试验加载方案及注意事项

3.1 试验加载方案

为了使试验结果准确可靠，同时考虑到试验现场的条件限制，该试验决定采用配重块堆载的方式，使吊车分为三级［2］加载，具体试验加载分级见表1。加载范围［3］在箱梁顶板跨中5.5 m范围内。

表1 预制30 m箱梁静载试验加载分级

计算跨径为29.2 m，汽车车道荷载产生的理论计算总弯矩（含冲击系数）为3 322 kN·m［4-5］，试验加载弯矩为3 413 kN·m，试验加载效率为1.03，满足公路桥梁荷载试验规程中加载效率在0.95～1.05 之间规定。

通过Midas Civil生成计算模型，如图1所示。本次预制预应力混凝土箱梁静载试验的试验工况、测试项目为梁跨中最大正弯矩工况，试验控制截面为跨中正截面。

3.2 试验加载注意事项

由于试验目的是对存在缺陷的梁进行静载试验数据分析，试验中测试数据可能会超过计算值或变形规律异常，故规范规定的相关停止加载条款在本次试验中不予考虑。当试验过程中发生下列情况之一时［6］，应停止加载，查找原因，采取措施后确定是否继续进行试验：①结构裂缝的长度、宽度或数量明显增大；②试验梁发出异响声或发生其他对结构及人员安全不利的异常情况，如配重块滑动掉落、试验梁倾斜、吊车倾倒等情况。该试验由专人负责统一指挥加载，并对测试数据进行实时分析对比［5-6］，以确保在结构、仪器设备及人员安全的前提下进行试验。

4 测试截面及测点布置

试验测试各截面包含支点1、L/4、3L/4、L/2、支点2 截面。每一试验梁在L/4、3L/4、L/2 各截面底板中间布置直线位移计，距离支点1、支点2 截面底板向跨中20 cm处布置直线位移计，共5个直线位移计。

每一试验梁在L/4、3L/4、L/2 各截面应变测点具体位置如下：1#测点位于腹板上缘倒角向下15 cm处，2#测点位于底板下缘倒角向上30 cm 处，3#测点位于底板下缘倒角向上15 cm 处，共布置9 个应变片。测试截面仪器布置如图2所示。

图2 试验各截面应变片、位移计布置

5 测试结果与分析

5.1 试验梁挠度测试结果与分析

经过支点变形修正和测试误差处理后，试验梁在各级试验荷载作用下各测点的挠度测试结果与分析见表2、表3。

表2 试验梁在试验荷载作用下挠度测试值及分析结果

表3 试验梁在试验荷载作用下应变测试值及分析结果

依据公路桥梁荷载试验规程，预应力混凝土梁桥的挠度校验系数一般在0.7～1.0 之间。试验梁在等效荷载作用下，L/4 截面的挠度校验系数是0.34～0.56，L/2 截面的挠度校验系数是0.51～0.67，3L/4 截面的挠度校验系数是0.41～0.55。各截面最大挠度校验系数为0.67，小于1，且小于挠度校验系数一般值的下限0.7；各截面相对残余挠度是-13.02%～9.42%，均小于20%。

5.2 试验梁应变测试结果与分析

经过测试误差处理后，试验梁在各级试验荷载作用下各测点的应变测试结果与分析见表3。

依据公路桥梁荷载试验规程，预应力混凝土梁桥的应变校验系数一般在0.6～0.9 之间。试验梁在等效荷载作用下，L/4截面的1#、2#、3#测点应变校验系数分别是0.67～1.77、0.48～0.79、0.56～0.88；L/2 截面的1#、2#、3#测点应变校验系数分别是0.54～1.30、0.43～0.79、0.51～0.89；3L/4 截面的1#、2#、3#测点应变校验系数分别是0.77～1.56、0.42～0.80、0.53～0.85。各截面1#测点最大应变校验系数为1.77，大于1，且大于应变校验系数一般值的上限0.9；各截面2#、3#测点最大应变校验系数为0.89，小于1，且小于应变校验系数一般值的上限0.9；各截面1#测点相对残余应变是-20.95%～34.91%，均大于20%；各截面2#、3#测点相对残余应变是-2.46%～18.70%，均小于20%。

5.3 试验梁各截面应变沿高度分布分析

根据测试结果及分析结果，试验梁各截面应变最大弹性值沿高度分布如图3至图5所示。

图3 L/4截面应变最大弹性值沿高度分布

图4 跨中应变最大弹性值沿高度分布

图5 3L/4截面应变最大弹性值沿高度分布

对于常规结构，实测主要控制截面应变沿高度分布应符合平截面假定。从图3至图5可以看出，部分试验梁部分截面应变沿梁高分布比例已失调。同一截面应变校验系数1#测点大于2#、3#测点的截面占试验测试总截面的86.7%。

6 结论

①该试验梁挠度校验系数全部低于预应力混凝土梁桥挠度校验系数的下限值0.70，说明试验梁强度满足设计要求，安全储备度良好。各截面最大相对残余挠度为-13.02%，小于20%，表明试验梁弹性工作状态良好。

②该试验梁各截面1#测点应变校验系数大于1.0的占1#测点总数的50%，说明应变校验系数大于1.0 对应的部分试验梁强度不满足设计要求。各截面1#测点相对残余应变大于20%的占1#测点总数的6.7%，表明试验梁弹性状态受影响不大。

③该试验梁部分截面应变沿梁高分布已不能完全符合平截面假定，导致箱梁在同一截面应变比例失调，分析结果表明迹象向着箱梁顶板腹板交接区域集中。随缺陷影响程度的增大而导致应变校验系数或相对残余比超过规范限值。

④对于同一箱梁，挠度校验系数相比应变校验系数较小，挠度校验系数低于规程一般范围0.7～1.0的下限值0.7时，部分应变校验系数已大于规程一般范围0.6～0.9 的上限值0.90。缺陷对应变的影响程度要大于对挠度的影响程度。