预应力混凝土梁桥结构的受力分析

李胜龙 李立君 苏笮斌 谢春阳 罗涛 何夕成

1.四川铁科新型建材有限公司 四川 成都 610404

2.四川巨星新型材料有限公司 四川 成都 611731

1 预应力混凝土梁桥结构的受力性能试验

1.1 工程概述

天津—石家庄高速公路起于石家庄市，至于天津市，津冀界至保石界主线长169.8公里。由于该项目部分路段地处交通闭塞，自然条件较差，施工难度大，需要通过修建桥梁的方式来沟通高山峡谷两端的道路[4]。所研究的桥梁为混凝土结构，总长394m，如图1所示。

图1 桥梁示意图

1.2 试件及材料

仿照图1中所示大桥的梁桥结构，制成应力分析所需要试件，该试件制作的材料与实际大桥梁桥结构的浇筑材料一致，具体如表1所示[5]。

表1 试件（梁桥结构）制作材料

1.3 试验设备

预应力混凝土梁桥结构的受力性能试验所需要的相关试验设备如2所示。

1.4 试件制作

基于表2给出的梁桥结构制作材料，在表2中部分设备的帮助下，制成试件。具体过程如下：

表2 试验设备表

步骤1：设计混凝土配合比。适配配合比采用参考津石高速津冀界至保石界六分部1#拌合站C50混凝土配合比。

步骤2：利用混凝土配料机，按照表4进行C50混凝土配料；

步骤3：基于混凝土搅拌机，对C50混凝土材料进行搅拌。

步骤4：测量混凝土的坍落度和扩展度，判断是否均小于对比组的坍落度和扩展度。若小于对比组，进入下一步；否则，需要提高高性能减水剂的掺量[6]。

步骤5：将混凝土浆液装入钢筋网模具当中。

步骤6：利用振捣机振捣成型，并养护至规定龄期，并测试混凝土梁桥结构试件的抗压强度，当满足抗压强度标准时，完成混凝土梁桥结构试件制备，并等待下一步受力性能测试。否则，需要重新进行制备[7]。

1.5 预应力加载制度

预应力是指预先施加的压力，目的是测试其受力性能，保证正式投入使用后的整体结构性能。预应力加载制度则是指预应力随着时间的推进而逐步施加的荷载数值[8]。具体如表3所示。

表3 预应力加载制度

直至加载到N级荷载，试件被破坏，停止应力加载。

1.6 受力性能测试

基于表3加载制度，在西南交通大学结构工程试验中心测试应力增加下的试件受力性能。受力性能测试包括三个指标，即挠度、应变以及承载情况[9]。下面进行具体分析。

（1）挠度测试

挠度，即构件（如梁、柱、板等）受到外力时发生弯曲变形的程度。针对这一参量，采取的测量方法为挠度计法，该方法优点是测试精度高，测试数据可靠，自动化采集数据[10]。该方法测试所需要的设备为BTS-58-C226旋臂挠度计，其包括三套带夹具旋臂，三根20m铟钢线，三个25×0.01mm百分表， 三个铅锤和一个携带箱。挠度测量过程如下：

步骤1：将一个可伸缩的鱼钩固定在混凝土梁桥结构试件的下侧。

步骤2：将带孔的小盘用铟钢线穿上系上结，将小盘挂在鱼钩上。

步骤3：将铟钢线的另一端系上铅锤，这样就可使其接触到被测物下的地面。

步骤4：将夹具装在稳定的金属或其他适当地搁置在地面上时较稳的支持物上。

步骤5：将百分表的滑动杆插入配套的夹具内并扭紧，这样百分表就可处于垂直方向。

步骤6：取出带隐蔽孔的方形棒，并将其通过隐孔固定在百分表滑动杆的上部，再取出另外一根带明孔的方形棒，固定在滑动杆的下部。两根棒子应相互平行[11]。

步骤7：取出铟钢线，将其穿过两根方型棒的内部接点，将两根方型棒的位置固定在各自的固定螺栓上，这样，这两根棒子就被紧紧地绑在铟钢线上[12]。

步骤8：此时该系统已准备读数，实际顶梁挠度会在移动百分表的滑动杆时得出挠度测量结果。

梁桥结构不同部位承受的预应力不同，所以挠度计算公式也不同，具体如下：

梁桥结构跨中挠度计算公式

梁桥结构跨两端挠度计算公式

梁桥结构跨节点挠度计算公式

（2）应变测试

应变是指随着应力的施加结构局部的相对变形情况，即形变量与原来尺寸的比值。针对这一参量，采取的测量方法为应变仪法，该方法优点是测试稳定，抗干扰能力强，可以实现远距离测试[13]。该方法测试所需要的设备为若干个应变片和JHYC静态应变仪。

应变测试具体过程如下：

步骤1：应变测点方案设计。

步骤2：将应变片粘贴到混凝土梁桥结构试件表面，并通过环氧树脂进行脱落防护；

步骤3：按照表3，利用500t油压千斤顶对试件试件施加应力，同时应变片采集数据。

步骤4：将应变片采集到的数据传输到智能应变仪中，进行数据统计与分析。

应变值随着预应力的变化而变化，因此二者存在一定的映射关系。二者关系表达式如下：

由此得出应变计算公式：

其中，

受到温度的影响，混凝土在长期应力作用下，其应变随时间而持续增长的特性，因此在应变计算时，有时需要将徐变系数考虑在内。计算公式如下：

由此对公式（7）进行修正，得到

（3）承载测试

承载测试包括裂缝观测以及极限承载力测试。针对前者，对混凝土梁桥结构试件产生的裂缝在肉眼观察的基础上，可以通过裂缝放大镜、裂缝对比板等仪器设备进行辅助观察。针对后者，通过下述公式计算得出。

其中，

2 结果与分析

2.1 混凝土梁桥结构挠度分析

基于挠度测试流程对混凝土梁桥结构试件进行挠度值分析。结果如图2所示。

从图2中可以看出，从开始加载到100t应力时该混凝土梁桥结构的挠度虽然在降低，但是降低量并不大，说明该时期桥梁刚度较大，抵抗变形能力较强，但随着预应力的不断增大，增大到220t时，应力与挠度仍大致呈线性关系，应力下挠度仍能较大幅度恢复，但是在之后挠度开始大幅度降低，说明内部结构严重损伤，试件已经达到破坏阶段，梁桥结构的挠曲变形已经相当明显。

2.2 混凝土梁桥结构应变分析

基于JHYC静态应变仪，分析得出的预应力与混凝土梁桥结构应变之间的对应关系如表4所示。

表4 混凝土梁桥结构应变值

从表4中可以看出，应变值的变化大致可以划分为三个阶段，具体如下：

（1）20t～120t弹性阶段：预应力与应变之间呈现正向直线关系，即随着预应力增大，应变也在增大。

（2）120t～200t弹塑性阶段：应力与应变之间的直线关系被破坏，说明开始出现屈服。如果卸载，试件的变形只能部分恢复。

（3）200t～260t破坏阶段：随着预应力增大，应变在大幅度降低，说明试件已经完全变形，出现较大的裂缝或者断裂，变形已经无法恢复，进入该阶段的混凝土梁桥结构已经失去安全性。

2.3 承载测试

在不断施加预应力过程中，混凝土梁桥结构试件在预应力达到200t时，出现很大的裂缝，肉眼可见，这时该混凝土梁桥结构已经达到承载极限，无法继续发挥其功能。

3 结束语

综上所述，受到地形、地势的影响，道路交通在建设过程中经常遭遇阻碍，无法继续下去，除了修建隧道解决凸起障碍外，桥梁的修建无疑是解决了峡谷、河流等凹陷区域的障碍，实现了交通道路的跨越。然而，本桥梁本身的架空性，使得其结构在经过多年荷载作用后发生变形等问题。针对上述问题，进行预应力混凝土梁桥结构的受力分析具有重要的现实意义。在研究中，以津石高速津冀界至保石界六分部的桥梁项目为例，通过试验分析，明确了其梁桥结构的受力特征，为该桥梁后期维护奠定了基础。然而，本研究仍具有改进的地方，即仅进行了静态预应力下的受力分析，未进行动态预应力下的受力分析，研究存在一定的局限性，因此有待进一步深入研究。