卜浩然，高慶飛

(1.天津市市政工程設計研究院，天津300051;2.哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院，哈爾濱150090)

0 引 言

橋跨結構中的橫隔梁通常會被設計成普通鋼筋混凝土結構.在橋梁使用過程中，普通鋼筋混凝土橫隔梁會產生一系列病害.出現(xiàn)最多的病害就是橫隔梁下緣出現(xiàn)裂縫，使橫隔梁在開裂的狀態(tài)下工作.下緣開裂的橫隔梁會使各個主梁之間的聯(lián)系變弱.如果裂縫過大，普通鋼筋裸露出來與空氣接觸，還會發(fā)生銹蝕現(xiàn)象.近年來，在設計橋梁時，往往會在其橫隔梁內會設置橫向預應力鋼束，防止橫隔梁開裂.

本文以哈爾濱市三環(huán)路西線跨松花江南灘涂引橋為工程背景，加工了大型縮尺模型，研究橫隔梁內設置橫向預應力對裝配式梁橋橫向剛度以及抗裂性的影響.

1 工程概況

本橋為跨徑40m 預應力混凝土簡支小箱梁橋.橋面為雙向八車道布置，橋面寬度為18m，采用1.5%的行車道橫坡.

該橋由6 片預制小箱梁橫向聯(lián)接而成，各個主梁之間采用濕接縫進行聯(lián)接.共布置5 道橫隔梁，端橫梁厚度50cm，中橫隔梁厚度30cm.該橋標準截面尺寸如圖1，該橋橫隔梁位置布置如圖2.

該橋采用C50 混凝土.在1/4 跨處橫隔梁內布置1 束4Φ15.2 的鋼絞線，在跨中橫隔梁內布置2束3Φ15.2 的鋼絞線.

2 基本理論

作為跨越障礙的大型建筑物，橋梁一般具有很大的體積和質量，在進行橋梁受力特性等問題研究的時候，一般會采用按比例縮小原結構的方法進行模型試驗，即縮尺模型.

圖1 斷面布置圖(單位:m)

圖2 橫隔梁布置圖(單位:m)

縮尺模型是根據(jù)試驗的經濟條件、技術條件以及試驗理論等方面的限制，按照一定的比例關系，縮小原橋梁結構制成.縮尺模型應具有與原橋一致的物理特性、結構特性等主要特征.當運用縮尺模型進行試驗時，縮尺模型試驗所得到的結果應與原橋梁結構結果成一定的比例關系.由于技術水平和理論誤差等原因，一般縮尺模型的所有物理特性很難與原橋梁結構保持完全相似，此時我們應簡化一些次要的物理特性參數(shù)，嚴格保證主要物理參數(shù)與原橋梁結構一致，這樣才能使縮尺模型試驗準確的反應原橋梁結構的特征，保證試驗的正確性.這些主要物理參數(shù)包括結構的質量分布、結構的邊界條件、荷載的大小和施加方式等.

圖3 縮尺模型尺寸圖(單位:mm)

本次模型試驗主要研究的是模型靜力結構反應.通過模型的變形以及應力的分布來研究原橋梁的力學性能.本次試驗的主要相似物理參數(shù)有:

(1)幾何相似:要求縮尺模型在幾何尺寸上與原橋梁結構成一定的比例關系.

(2)荷載相似:要求縮尺模型受到的荷載與原橋梁結構所受到的荷載大小成比例關系，且模型加載位置與原橋梁結構相同.

(3)邊界條件相似:要求縮尺模型的邊界約束條件與原橋梁結構相同.

(4)材料相似:要求制作縮尺模型所用的材料與原橋梁結構相同.

3 模型加工

模型以哈爾濱市三環(huán)路西線跨松花江南灘涂引橋為原型，嚴格按照縮尺模型制作原則，保證縮尺模型與原結構的相似性.

考慮試驗目的、試驗內容以及成本投入等條件，同時為保證縮尺模型在試驗中產生足夠明顯的變形、變位，方便儀器采集數(shù)據(jù)，采用1:5 的比例制作縮尺模型.模型制作材料采用C50 混凝土.整個模型兩端簡支于支架上.模型整體及各個部分尺寸如圖3.

模型橫隔梁內配置橫向預應力鋼束.根據(jù)相似原則，在縮尺模型1/4 處橫隔梁內布置面積為4×139/25=22.4mm2的預應力鋼束，在跨中橫隔梁內布置面積為2×3×139/25=33.4mm2的預應力鋼束.由于沒有該類型的鋼絞線出售，所以仍采用Φ15.2 的鋼絞線，通過控制張拉應力來等效預應力效應.則1/4 處的控制張拉應力變?yōu)?395×4/25=223.2MPa，跨中的控制張拉應力變?yōu)?395×2×3/25 =334.8MPa.

縮尺模型沿著橋梁橫向在橫隔梁底部布置應變片.應變片布置在橫隔梁上、下緣中心位置.共布置20 片應變片.橫向應變片位置布置如圖4.

圖4 橫向應變片布置(單位:mm)

圖5 跨中橫隔梁應力影響線縱向變化規(guī)律

4 試驗過程

該橋跨中橫隔梁受力比1/4 跨處橫隔梁受力更加不利，所以在試驗過程中，荷載都是按照跨中橫梁最不利位置進行加載.原橋梁結構設計荷載為公路－Ⅰ級荷載，由于在模型上施加均布荷載比較繁瑣，所以將汽車荷載等效成一個集中荷載，再根據(jù)縮尺模型與原結構相似的原則，汽車荷載要按照模型所設定的比例進行縮小之后在加載到模型上.

沿橋梁縱向，車道荷載對跨中橫隔梁作用效應變化規(guī)律如圖5.計算車道荷載等效的集中力Fp=［5×10.5×(0.41×2+1.38×2+2.54×2+16.64)+320×16.64］/16.64=400kN.根據(jù)相似理論，施加在縮尺模型上的等效集中力F=16kN.

本次試驗共分為4 個荷載工況:

工況1:在橫隔梁內預應力鋼束不張拉的情況下，對模型施加汽車荷載，測量橫隔梁重要位置的應變值，觀察模型表面開裂情況.

工況2:將荷載卸去，張拉橫隔梁內橫向預應力鋼束，并在張拉結束后重新將等效后的汽車荷載加到模型上.在整個試驗過程中，測量橫隔梁重要位置的應變值，觀察模型表面開裂情況，測量裂縫寬度.

工況3:首先增大汽車荷載至原來的1.5，而后再次加大汽車荷載至原來的2.5 倍.在整個試驗過程中，測量橫隔梁重要位置的應變值，觀察模型表面開裂情況，測量裂縫寬度.

工況4:在工況3 的基礎上，將橫隔梁內預應力鋼束張拉應力增大至原來的1.5 倍.觀察模型表面開裂情況，測量裂縫寬度.

5 試驗結果及分析

在各個工況下，得到試驗結果及分析如下:

(1)工況1:

在該工況下，可以得到跨中橫隔梁各個測試點測量到的應變值如圖6.由圖可知跨中橫梁下緣測量到的最大應變值為48με，該值小于C50 混凝土的極限拉應變值.

圖6 橫隔梁下緣應變值(單位:μm)

觀察模型表面，可在3#橫隔梁下緣發(fā)現(xiàn)一條裂縫，裂縫寬0.07mm，裂縫位置位于距斜腹板4.12cm 的位置.局部裂縫放大圖如圖7.說明在設計汽車荷載作用下，不布置橫向預應力的橫隔梁會發(fā)生開裂現(xiàn)象.

圖7 初始裂縫局部放大圖

圖8 跨中橫隔梁下緣應變值(單位:μm)

圖9 裂縫位置示意圖

圖10 新裂縫局部放大圖

(2)工況2:

在該工況下，荷載卸去以后觀察模型表面.工況1 中跨中橫隔梁下緣出現(xiàn)的裂縫在橫向預應力鋼束張拉后閉合.得到跨中橫隔梁各個應變測試點測量到的應變值如圖8.由此可知張拉預應力鋼束后，橫隔梁下緣出現(xiàn)壓應變.重新對模型進行加載，當荷載加大至設計汽車荷載時，并沒有裂縫出現(xiàn).說明橫隔梁橫向預應力設置有助于提高橫隔梁的抗裂能力.

(3)工況3:

在該工況下，當汽車荷載增大至設計荷載的1.5 倍時，觀察模型表面，沒有發(fā)現(xiàn)裂縫出現(xiàn)，工況2 中閉合的裂縫沒有重新出現(xiàn).繼續(xù)增大汽車荷載至設計荷載的2.5 倍，此時工況2 閉合的裂縫重新開裂，并且出現(xiàn)新的裂縫.新出現(xiàn)的裂縫位于3#、4#主梁斜腹板與橫隔梁相交的位置，裂縫出現(xiàn)在橫隔梁下緣.出現(xiàn)的最大裂縫寬度為0.12mm.裂縫位置如圖9，局部最大裂縫放大圖如圖10.說明橫隔梁橫向預應力設置可以在一定程度上抵抗超載車輛的破壞.

(4)工況4:

在該工況下，模型上所施加的汽車荷載是設計荷載的2.5 倍，此時增大橫隔梁內預應力鋼束的張拉控制應力，將應力增大至原來的1.5 倍.觀察模型表面開裂情況，發(fā)現(xiàn)橫隔梁下緣在工況3 下出現(xiàn)的微小裂縫發(fā)生閉合，但是出現(xiàn)的較大裂縫沒有發(fā)生明顯變化.說明橫隔梁內布置的橫向預應力鋼束較為合理，即使增大張拉應力也不會繼續(xù)提高橫隔梁的抗裂能力.

6 結 論

通過本文的研究，可得到如下結論:

(1)當橫隔梁內沒有布置預應力鋼束時，在設計標準荷載下，橫隔梁下緣會發(fā)生開裂現(xiàn)象，使橫隔梁帶裂縫工作，從而影響其使用性.橫隔梁下緣與斜腹板相交的位置是橫隔梁下緣受力最不利位置.

(2)當橫隔梁開裂后，張拉橫隔梁內預應力鋼束，可以發(fā)現(xiàn)橫隔梁下緣橫向裂縫閉合，說明橫向預應力鋼束可以提高橫隔梁抗裂能力.

(3)增大汽車荷載至設計汽車荷載的1.5 倍時，橫隔梁沒有出現(xiàn)新的裂縫，原來產生的裂縫也沒有出現(xiàn)，說明預應力鋼束可以幫助橫隔梁抵抗超載車輛的破壞.

(4)增大汽車荷載至原來的2.5 倍時，增大預應力鋼束的張拉應力至原來的1.5 倍，發(fā)現(xiàn)橫隔梁下緣的微小裂縫消失，大裂縫沒有明顯變化，說明橫隔梁內預應力鋼束布置合理.

總之，布置橫向預應力鋼束的橫隔梁在抗裂性方面有著優(yōu)良的結構性能，而且預應力橫隔梁可以抵抗超載車輛的破壞，原橋梁橫隔梁內的預應力鋼束布置合理.

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