劉 利，高 巖，梁志廣

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

彎剪開裂后預(yù)應(yīng)力混凝土梁承載能力試驗(yàn)研究

劉 利，高 巖，梁志廣

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

某預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋在L/4跨徑處梁體腹板出現(xiàn)較多彎剪裂縫。本文基于荷載試驗(yàn)及理論分析的方法對(duì)該橋進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，對(duì)梁體腹板裂縫形態(tài)、數(shù)量及分布規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;通過靜載試驗(yàn)測(cè)試跨中正截面承載能力和斜截面開裂處鋼筋應(yīng)力，通過動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試梁體腹板開裂后結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)開裂梁體的正截面及斜截面承載能力進(jìn)行評(píng)估，并結(jié)合理論計(jì)算分析腹板斜截面裂縫產(chǎn)生的原因。研究表明：對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋，在結(jié)構(gòu)的正截面承載能力及結(jié)構(gòu)剛度尚能滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，不能排除斜截面承載能力不足，需要引起重視。

彎剪裂縫 簡支箱梁 荷載試驗(yàn)

1 工程概述

某橋全長162.7 m，跨徑組合(3×20+30+3×20)m，橋面布置為0.25 m欄桿+1.0 m人行道+7.0 m行車道+1.0 m人行道+0.25 m欄桿。上部結(jié)構(gòu)為20 m和30 m預(yù)應(yīng)力簡支小箱梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，20 m，30 m 小箱梁梁高分別為1.0 m，1.6 m，每跨橫向由3片小箱梁組成，中心距為2.78 m，僅設(shè)端橫梁。上部結(jié)構(gòu)的施工方法是采用先架設(shè)U型預(yù)制梁，然后鋪設(shè)預(yù)制板，再澆筑整體化層，形成橋面及上部結(jié)構(gòu)整體。下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺(tái)、雙柱式橋墩。橋面鋪裝采用現(xiàn)澆C35混凝土(5.0～8.5 cm)+瀝青混凝土(3 cm)。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽20，掛100;設(shè)計(jì)通行速度為30 km/h，橋梁布置見圖1～圖2。

圖1 橋梁平立面布置示意(單位：cm)

圖2 30 m(20 m)梁橫斷面(單位：cm)

2 裂縫概況

檢查發(fā)現(xiàn)，20 m梁梁體腹板在橋跨L/10～L/3范圍、30 m梁梁體腹板在橋跨L/4附近均出現(xiàn)較寬腹裂縫。從裂縫分布情況看(圖3)，20 m梁裂縫明顯多于30 m梁;各跨中梁裂縫數(shù)量均比邊梁多;1跨～3跨裂縫數(shù)量較5跨～7跨多。裂縫呈中間寬兩頭細(xì)，裂縫與梁軸線的夾角在35°～42°之間，裂縫最大寬度0.4 mm，裂縫處混凝土有壓碎啃邊現(xiàn)象，見圖4～圖5。

圖3 全橋裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖4 梁體腹板典型裂縫

圖5 第一跨中梁裂縫展開(裂縫寬度單位：mm)

3 荷載試驗(yàn)

為了解梁體的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷該梁體彎剪開裂后實(shí)際承載能力是否滿足原設(shè)計(jì)荷載要求，通過荷載試驗(yàn)評(píng)定本橋的工作狀況。

3.1 荷載試驗(yàn)內(nèi)容

本橋橋跨均為簡支跨，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及梁體腹板開裂現(xiàn)狀，本次試驗(yàn)主要內(nèi)容為：①裂縫較多的第3跨梁體跨中截面的應(yīng)變分布、中性軸高度和整體剛度，評(píng)判梁體正截面承載能力是否滿足規(guī)范要求(圖6);②各跨梁體自振頻率，評(píng)判全橋自身動(dòng)力特性;③為了測(cè)試腹板開裂處鋼筋應(yīng)力幅值，評(píng)判斜截面承載能力是否滿足規(guī)范要求，選取腹板斜裂縫最多的第2跨中梁進(jìn)行測(cè)試(圖7)。

圖6 第3跨跨中截面測(cè)點(diǎn)布置示意

圖7 20 m跨2#梁裂縫測(cè)點(diǎn)布置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)判

1)正截面(跨中)試驗(yàn)結(jié)果表明：20 m和30 m梁跨中截面的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)正常，跨中截面的抗裂性及承載能力尚能夠滿足原設(shè)計(jì)荷載的要求，見圖8和圖9。

2)斜裂縫試驗(yàn)結(jié)果表明，受彎矩影響較小的跨裂縫測(cè)點(diǎn)(距中性軸較近的1#、5#及8#測(cè)點(diǎn))處裂縫擴(kuò)展與截面所受剪力基本線性相關(guān)(圖10)。裂縫處實(shí)測(cè)最大應(yīng)變已達(dá)479×10-6，試驗(yàn)時(shí)加載車單輛的平均重量為286.4 kN，而設(shè)計(jì)荷載重車為300 kN并需考慮1.3的沖擊，由此推算設(shè)計(jì)荷載作用下的應(yīng)變應(yīng)該達(dá)到652×10-6，也即在設(shè)計(jì)荷載作用下斜裂縫的擴(kuò)展可以達(dá)到0.10 mm，由于此時(shí)拉應(yīng)力全部由箍筋及彎起鋼筋承受，對(duì)應(yīng)斜裂縫處的鋼筋的活載應(yīng)力幅將達(dá)到130 MPa。

3)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明，20 m跨實(shí)測(cè)自振頻率均高于理論頻率4.997 Hz，說明20 m跨實(shí)際剛度高于理論剛度，第1跨～3跨自振頻率接近，為6.01，6.03，5.98 Hz，而第5 跨 ～7 跨略高為 6.18，6.21，6.23 Hz，這一測(cè)試結(jié)果與裂縫的實(shí)際分布情況相符(第1跨～3跨梁端斜向裂縫較5跨～7跨梁端斜向裂縫開裂明顯嚴(yán)重)。這一現(xiàn)象說明，雖然20 m跨實(shí)測(cè)頻率仍高于理論頻率，梁體的開裂已經(jīng)造成結(jié)構(gòu)剛度的下降。30 m跨實(shí)測(cè)自振頻率4.460 Hz高于理論頻率3.591 Hz，說明30 m跨實(shí)際剛度高于理論剛度。

圖8 第3跨2#梁撓度—荷載效率曲線

圖9 第4跨2#梁應(yīng)變—荷載效率曲線

圖10 裂縫寬度擴(kuò)展與腹板試驗(yàn)剪力相關(guān)性對(duì)比

4 病害原因分析

選取本橋20 m跨中梁計(jì)算距梁端4 m斜截面(腹板開裂處)抗剪承載能力。根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件斜截面承載能力計(jì)算公式：γ0Vd≤Vcs+Vsb+Vpd(其中，γ0為橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);Vd為斜截面受壓端由作用效應(yīng)所產(chǎn)生的最大剪力組合設(shè)計(jì)值;Vcs為斜截面內(nèi)混凝土和箍筋共同的抗剪承載力設(shè)計(jì)值;Vsb為與斜截面相交的普通彎起鋼筋抗剪承載力設(shè)計(jì)值;Vpd為與斜截面相交的預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋抗剪承載力設(shè)計(jì)值)，計(jì)算可得20 m跨中梁的斜截面抗剪承載能力為536.83 kN。在掛100荷載作用下，斜截面剪力組合值達(dá)到527.02 kN，雖然小于斜截面抗剪承載能力，但安全儲(chǔ)備值已較小，當(dāng)有超載重車通過時(shí)，橋梁存在較大的安全隱患。

5 結(jié)論

通過本橋的承載能力評(píng)估工作可以看出，在結(jié)構(gòu)的正截面承載能力及結(jié)構(gòu)剛度尚能滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，并不排除斜截面承載能力不足的問題。對(duì)于本橋，由于斜截面抗剪承載能力儲(chǔ)備值較小，腹板出現(xiàn)開裂后，斜截面處承剪混凝土已經(jīng)退出工作，即使在設(shè)計(jì)荷載作用下，斜截面箍筋鋼筋應(yīng)力幅值也偏大，結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患。

［1］高巖，鄭杉.預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的加固評(píng)判實(shí)例［J］.鐵道建筑，2000(8)：10-12.

［2］馬耕，李子春，柯在田.某高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的檢測(cè)評(píng)估［J］.鐵道建筑，2008(10)：25-28.

［3］中華人民共和國交通部.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］中華人民共和國交通部.JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］中華人民共和國交通部.JTG/T H21—2011 公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］交通部公路科學(xué)研究所，交通部公路局技術(shù)處.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法［M］.北京：人民交通出版社，1982.

U446.3

A

1003-1995(2012)06-0013-03

2012-02-20;

2012-02-25

劉利(1987— )，男，四川仁壽人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 王 紅)