■　魏有恩（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路水運(yùn)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，福州　350004）

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基于靜載試驗(yàn)評(píng)價(jià)裂縫對(duì)鋼筋混凝土橋梁受力性能的影響

■魏有恩1，2
（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路水運(yùn)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，福州350004）

摘要本文基于橋梁靜載試驗(yàn)，采用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型，通過(guò)對(duì)鋼筋應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，分析裂縫開(kāi)展的最大寬度，評(píng)價(jià)裂縫對(duì)鋼筋混凝土橋梁的受力性能的影響。

關(guān)鍵詞橋梁荷載試驗(yàn)有限元數(shù)值分析鋼筋應(yīng)變裂縫開(kāi)展

1　引言

橋梁靜載試驗(yàn)是對(duì)新建橋梁交工驗(yàn)收和已建橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)進(jìn)行承載力的評(píng)定，檢測(cè)橋梁整體受力性能是否滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。對(duì)于新橋型、新材料、新設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，橋梁靜載試驗(yàn)仍是評(píng)定橋梁承載能力最直接和最有效的辦法。特別是當(dāng)橋梁出現(xiàn)缺陷損傷時(shí)，橋梁靜載試驗(yàn)為進(jìn)一步深入評(píng)價(jià)帶缺陷工作的橋梁能否滿足通行荷載等級(jí)要求發(fā)揮著不可替代的作用。

某鋼筋混凝土橋梁在外觀檢查中發(fā)現(xiàn)梁底橫向裂縫且延伸至腹板，通過(guò)靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析橋跨結(jié)構(gòu)裂縫開(kāi)展的最大寬度，評(píng)價(jià)裂縫對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

2　工程概況

某高速互通D匝道橋，橋長(zhǎng)174.50m，平曲線半徑R=80.00m。上部構(gòu)造共3聯(lián)，試驗(yàn)對(duì)象為該橋第二聯(lián)3×16m現(xiàn)澆鋼筋砼連續(xù)箱梁。橋面寬度為0.50m（防撞欄）+8.00m（行車道）+0.50m（防撞欄）。該橋橫截面為單箱雙室結(jié)構(gòu)，梁高1.50m，翼緣板寬1.50m，梁底寬6.00m。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋板橋臺(tái)，鉆孔樁基礎(chǔ)?，F(xiàn)澆箱梁采用C40砼，橋墩身采用C35砼。設(shè)計(jì)荷載：公路-I級(jí)。橋梁總體立面見(jiàn)圖1，跨中截面見(jiàn)圖2。

圖1　某高速互通D匝道橋第二聯(lián)結(jié)構(gòu)布置圖（單位：m）

圖2　跨中截面示意圖（單位：m）

經(jīng)外觀檢查，該現(xiàn)澆箱梁第4跨梁體右側(cè)腹板，距4#墩8.20m處，1條豎向裂縫延伸并貫穿梁底至左腹板，右腹板豎向裂縫縫寬0.10mm，縫長(zhǎng)0.60m，梁底橫向裂縫縫寬0.12mm，縫長(zhǎng)0.75m，縫深45mm（梁底縱向鋼筋設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度37mm），左腹板豎向裂縫縫寬0.10mm，縫長(zhǎng)0.85m。

受業(yè)主委托驗(yàn)收橋梁整體受力情況，對(duì)該聯(lián)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，同時(shí)為分析裂縫的存在對(duì)橋梁整體受力性能的影響，對(duì)裂縫開(kāi)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為此，設(shè)置4個(gè)測(cè)試截面（圖3）：第4跨最大正彎矩截面（Ⅰ-Ⅰ）、第5跨跨中截面（Ⅱ-Ⅱ）、4#墩支點(diǎn)負(fù)彎矩截面（Ⅲ-Ⅲ）、第4跨橫向裂縫貫穿截面（Ⅳ-Ⅳ）。通過(guò)在試驗(yàn)工況下各測(cè)試截面的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)及撓度響應(yīng)，以及裂縫開(kāi)展情況的監(jiān)測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)裂縫對(duì)橋梁的整體受力性能的影響。

圖3　試驗(yàn)測(cè)試截面示意圖（單位：m）

第4跨橫向裂縫貫穿截面，需鑿除裂縫截面的保護(hù)層，在縱向主筋上布置鋼筋應(yīng)變片，監(jiān)測(cè)裂縫處的鋼筋應(yīng)變。當(dāng)混凝土截面出現(xiàn)貫穿裂縫的情況時(shí)，表面混凝土退出了參與受彎構(gòu)件的受力，因此通過(guò)鋼筋應(yīng)變來(lái)反應(yīng)橋梁的整體受力性能和裂縫開(kāi)展情況是較為準(zhǔn)確的方法。

3　試驗(yàn)分析

3.1有限元計(jì)算

采用大型有限元通用軟件Midas Civil建立該橋的空間有限元分析模型，梁體結(jié)構(gòu)采用57個(gè)節(jié)點(diǎn)，48個(gè)單梁?jiǎn)卧M，模型如圖4所示。由于該橋處于半徑R=80.00m平曲線上，模型建立成彎橋結(jié)構(gòu)，根據(jù)角度調(diào)節(jié)各個(gè)支撐節(jié)點(diǎn)的局部坐標(biāo)系。

圖4　某橋模型計(jì)算圖

3.2靜載試驗(yàn)效率

根據(jù)計(jì)算所得到橋跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)活載內(nèi)力包絡(luò)圖，靜力荷載試驗(yàn)測(cè)試截面與加載效率如表1所示。

表1　靜力試驗(yàn)荷載效率計(jì)算一覽表

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1橋梁承載能力的評(píng)定方法

4.1.1校驗(yàn)系數(shù)

校驗(yàn)系數(shù)η是評(píng)定結(jié)構(gòu)工作狀況，確定橋梁承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)，可以從中判定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力的工作狀態(tài)。

實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η是試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的應(yīng)力或撓度之比，它反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。

對(duì)于應(yīng)力，則：

對(duì)于撓度，則：

η值越小說(shuō)明結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大，但η值不宜過(guò)大或過(guò)小，如η值過(guò)大說(shuō)明組成結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度可能較低，結(jié)構(gòu)各部分聯(lián)結(jié)性能較差，剛度較低等。η值過(guò)小可能說(shuō)明組成結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際強(qiáng)度及彈性模量較大，梁橋的混凝土鋪裝及人行道等與主梁共同受力，支座摩擦力對(duì)結(jié)構(gòu)受力的有利影響，以及計(jì)算理論或簡(jiǎn)化的計(jì)算圖式偏于安全等等。另外，試驗(yàn)加載物的稱量誤差、儀表的觀測(cè)誤差等對(duì)η值也有一定的影響。

4.1.2相對(duì)殘余變位（或應(yīng)變）

殘余變位（或殘余應(yīng)變）按下列公式計(jì)算：

總變位（或總應(yīng)變）St＝Sl－Si

彈性變位（或彈性應(yīng)變）Se＝Sl－Su

殘余變位（或殘余應(yīng)變）Sp＝St－Se＝Su－Si

式中，Si——加載前測(cè)值；

Sl——加載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)值；

Su——卸載后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)值。

引入相對(duì)殘余變位（或應(yīng)變）的概念描述結(jié)構(gòu)整體或局部進(jìn)入塑性工作狀態(tài)的程度。

相對(duì)殘余變位（或應(yīng)變）按下式計(jì)算：

4.1.3裂縫

根據(jù)《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》（JTG D62—2004），箱形截面鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的最大裂縫寬度可按下列公式計(jì)算：

因此，通過(guò)裂縫截面的鋼筋應(yīng)變可以獲得箱梁最大裂縫寬度值，用以評(píng)定橋梁的受力性能。

普通鋼筋混凝土構(gòu)件允許出現(xiàn)裂縫。試驗(yàn)荷載作用下裂縫寬度不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的許可值（見(jiàn)表2），并且卸載后應(yīng)閉合到小于容許值的1/3。原有的其它裂縫（施工裂縫、收縮裂縫和溫度裂縫），受載后也不應(yīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)容許寬度［2］。

表2　裂縫限值表

4.2撓度測(cè)試結(jié)果與分析

在試驗(yàn)加載工況作用下，各控制截面的實(shí)測(cè)撓度及其與理論計(jì)算值的比較如表3所示。

表3　各控制截面撓度分析表

4.3應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與分析

在試驗(yàn)加載工況作用下，各控制截面的實(shí)測(cè)應(yīng)變及其與理論計(jì)算值的比較如表4所示。

4.4裂縫觀測(cè)結(jié)果

表4　各控制截面應(yīng)變分析表

表5　裂縫截面鋼筋應(yīng)變分析表

由表5可得，在工況1、2作用下，裂縫截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（1982年10月）規(guī)定的常值范圍（0.70～1.05）。根據(jù)鋼筋應(yīng)變通過(guò)公式1計(jì)算得到的混凝土最大開(kāi)裂寬度為0.22mm，小于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21 -2011）規(guī)定的縫寬限值0.25mm，同時(shí)卸載后裂縫能夠閉合到小于容許值的1/ 3。

在各試驗(yàn)工況荷載作用下，各測(cè)試截面附近均未觀測(cè)到新裂縫。

5　結(jié)論

（1）從表3、表4可知，第4跨、第5跨各測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)在偏載工況下實(shí)測(cè)撓度、應(yīng)變最大值小于考慮偏載系數(shù)1.15的理論值，該橋抗傾覆性能良好。

（2）各測(cè)試截面撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（1982年10月）規(guī)定的常值范圍（0.70～1.05），相對(duì)殘余撓度、應(yīng)變最大值均小于《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（1982年10月）規(guī)定的20％，該橋整體受力性能良好。

（3）從表5可知，通過(guò)監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示裂縫截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（1982年10月）規(guī)定的常值范圍（0.70～1.05）。通過(guò)換算得到的混凝土最大開(kāi)裂寬度為0.22mm，小于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）規(guī)定的縫寬限值0.25mm，同時(shí)卸載后裂縫能夠閉合到小于容許值的1/3，說(shuō)明該裂縫對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體受力影響較小。

（4）建議及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行封閉處理，并采用黏貼預(yù)應(yīng)力碳纖維布的方式對(duì)裂縫截面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

［1］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（J）.北京：人民交通出版社，2004.

［2］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程（J）.北京：人民交通出版社，2011.