胡 強,張 勇,巴 力

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

近年來，我國的橋梁事業(yè)發(fā)展迅速，橋梁建設(shè)的質(zhì)量受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。建設(shè)單位、質(zhì)監(jiān)部門出臺了許多相關(guān)的規(guī)定來控制建設(shè)中橋梁的質(zhì)量，橋梁靜載試驗作為檢驗橋梁是否滿足運營要求的最直接方式也越來越受到重視，2016年出臺了相應(yīng)的試驗規(guī)程。公路及市政領(lǐng)域的橋梁均按照文獻(xiàn)[1-2]進(jìn)行試驗評定。對于公路及市政橋梁使用較多的預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁，文獻(xiàn)[3]對其試驗荷載的計算方法進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[4-5]則對試驗的具體實施過程及評定方法進(jìn)行了研究。但是，在工程實踐中，預(yù)制梁無附屬設(shè)施的干擾，試驗校驗系數(shù)往往接近1.0，由于試驗規(guī)范與設(shè)計規(guī)范[6]的不統(tǒng)一常導(dǎo)致誤判，因此，制定專門的公路預(yù)制梁靜載彎曲試驗方法是非常有必要的。本文從現(xiàn)行公路橋梁靜載試驗方法出發(fā)，分析其存在的不足，結(jié)合廣東省高速公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化課題，編制了《廣東省高速公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》[7]。

1 現(xiàn)行公路橋梁靜載彎曲試驗方法評述

橋梁靜載試驗的主要內(nèi)容包括加載彎矩、測點布置、評定方法。下文對文獻(xiàn)[1]中靜載試驗的加載彎矩、評定方法進(jìn)行簡要評述。

1.1 加載彎矩

文獻(xiàn)[1]規(guī)定：靜載試驗的荷載效率ηq，對交(竣)工驗收荷載試驗宜介于0.85～1.05之間，否則ηq宜介于0.95～1.05之間。ηq計算式為

(1)

式中:Ss為靜載試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計算效應(yīng)值；S為 控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

文獻(xiàn)[7]對于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的正截面抗裂驗算規(guī)定：對于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用(或荷載)短期效應(yīng)組合下，應(yīng)滿足

σst-σpc≤0.7ftk

(2)

式中:σst為作用(或荷載)短期效應(yīng)組合下構(gòu)件抗裂驗算邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力;σpc為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力在構(gòu)件抗裂驗算邊緣產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力;ftk為混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

顯然荷載試驗規(guī)范與設(shè)計規(guī)范存在矛盾：式(1)中加載控制值S(1+μ)是考慮沖擊的設(shè)計荷載，相當(dāng)于設(shè)計規(guī)范中的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值，而式(2)中σst為短期效應(yīng)組合的應(yīng)力值，其汽車荷載應(yīng)不計沖擊的影響且應(yīng)乘以頻遇值系數(shù)0.7，這樣其汽車荷載值僅相當(dāng)于式(1)中的0.5～0.6，當(dāng)然式(2)中還考慮了溫度、沉降等其他因素的影響，因此式(1)和式(2)存在較大差異。按現(xiàn)行的公路橋梁試驗規(guī)范無法驗證預(yù)制梁的抗裂性是否能滿足設(shè)計運營荷載的使用要求。對于設(shè)計富裕度較小且后期溫度、沉降產(chǎn)生的下緣應(yīng)力較小的預(yù)制梁按現(xiàn)行荷載試驗規(guī)范將導(dǎo)致預(yù)制梁在試驗荷載下會產(chǎn)生開裂。

1.2 評定方法

現(xiàn)行公路橋梁荷載試驗規(guī)范對于結(jié)構(gòu)受力的評定方法主要包括相對殘余及校驗系數(shù)。

相對殘余位移或相對殘余應(yīng)變計算式為

(3)

式中:Sp為試驗荷載作用下測量的結(jié)構(gòu)殘余位移(應(yīng)變)值;St為加載達(dá)到穩(wěn)定時的相應(yīng)測量值。

結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)η計算式為

(4)

式中：Se為試驗荷載作用下測量的結(jié)構(gòu)彈性位移(應(yīng)變)值;Ss為靜載試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計算效應(yīng)值。

文獻(xiàn)[1]規(guī)定：對于相對殘余ΔSp，第1次試驗應(yīng)小于αl，第2次試驗應(yīng)小于0.5αl，第3次試驗應(yīng)小于α1/6；對于校驗系數(shù)η，應(yīng)滿足β<η≤α。β,α,α1值見表1。

表1 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件殘余及校驗系數(shù)評價

該評價方法中的第1個指標(biāo)是相對殘余應(yīng)變或位移，其限值為20%，即使對于加載過程中出現(xiàn)開裂的預(yù)制梁也較容易滿足，因此，該指標(biāo)意義不大。第2個指標(biāo)是校驗系數(shù)，與計算值有很大關(guān)系，當(dāng)預(yù)制梁實際彈性模量與規(guī)范值相差較大時，計算值會產(chǎn)生較大偏差，因此該指標(biāo)也不能完全反映預(yù)制梁的實際情況。對于預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁，僅僅采用校驗系數(shù)進(jìn)行評價存在一定的局限性，另一個主要評價指標(biāo)應(yīng)為抗裂性，預(yù)應(yīng)力梁若抗裂性滿足要求，其受力亦基本能滿足。

2 預(yù)制梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)

如前所述，對于預(yù)制梁，文獻(xiàn)[1]的試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)存在一定的局限性。參考文獻(xiàn)[8]，在考慮公路橋梁特點的基礎(chǔ)上，引用鐵路預(yù)制梁試驗方法中較為合理的部分，編制了《廣東省高速公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》，旨在控制公路預(yù)制梁的施工質(zhì)量。以下對該標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行闡述。

2.1 靜載彎曲試驗分類

將靜載彎曲試驗分為特殊靜載彎曲試驗及一般靜載彎曲試驗。特殊靜載彎曲試驗須對預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力度或抗裂性是否達(dá)到設(shè)計要求進(jìn)行評價;一般靜載彎曲試驗則是對設(shè)計使用荷載下預(yù)制梁的靜載彎曲抗裂性能進(jìn)行檢驗。特殊靜載彎曲試驗主要用于控制整個梁廠的施工工藝，一般僅對首梁進(jìn)行，另外在采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝進(jìn)行試生產(chǎn)時，生產(chǎn)條件有較大變動時，出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)承載能力的缺陷時，交庫技術(shù)資料不全或?qū)Y料發(fā)生懷疑時，亦應(yīng)當(dāng)進(jìn)行特殊靜載彎曲試驗。

2.2 加載彎矩

對于特殊靜載彎曲試驗，主要對梁體的抗裂性進(jìn)行檢驗。此時應(yīng)使跨中截面下緣荷載總拉應(yīng)力達(dá)到σpc+ftk(σpc為扣除試驗時已發(fā)生的預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力在構(gòu)件抗裂驗算邊緣產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力)，即加載至預(yù)制梁的開裂彎矩，若預(yù)制梁抗裂性不滿足要求，則還應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力度的檢驗，此時應(yīng)使跨中截面下緣荷載總拉應(yīng)力達(dá)到σpc，即加載至預(yù)制梁的消壓彎矩。對于一般靜載彎曲試驗，主要對短期使用荷載下的抗裂性進(jìn)行檢驗，此時應(yīng)使跨中截面下緣荷載總拉應(yīng)力達(dá)到σst，即加載至短期效應(yīng)組合值。

對于特殊靜載彎曲試驗有

式中：MK0為特殊靜載彎曲試驗跨中開裂加載總彎矩;MK1為特殊靜載彎曲試驗跨中消壓加載總彎矩;W0為預(yù)制梁跨中截面下緣換算截面抵抗矩。

對于一般靜載彎曲試驗有

(7)

式中：Msj為跨中加載總彎矩;M1為計算截面變化前的恒載等效彎矩，對于空心板梁計算截面變化前的恒載包括預(yù)制梁自重、鉸縫自重、混凝土整體化層自重,對于小箱梁及T梁計算截面變化前的恒載為預(yù)制梁自重、濕接縫自重;M2為計算截面變化后的恒載等效彎矩，對于空心板梁計算截面變化后的恒載包括瀝青鋪裝層自重、防撞墻自重,對于小箱梁及T梁計算截面變化后的恒載包括混凝土調(diào)平層自重、瀝青鋪裝層自重、防撞墻自重;M3為計算未完成的預(yù)應(yīng)力損失的補償彎矩;M4為計算汽車活載的等效彎矩;M5為計算溫度梯度的等效彎矩;M6為計算不均勻沉降的等效彎矩;M2～M6應(yīng)基于應(yīng)力等效的原則進(jìn)行計算。

2.3 加載分級

以短期效應(yīng)組合作為基數(shù)級，加載彎矩與其比值作為加載等級。對于特殊靜載彎曲試驗，K0=MK0/Msj，K1=MK1/Msj;對于一般靜載彎曲試驗，K0=1.00。

對于某一加載等級，其加載彎矩計算式為

MK=KMsj-M11-Msb

(8)

式中：MK為各加載等級下跨中彎矩;M11為預(yù)制梁自重產(chǎn)生的跨中彎矩;Msb為加載設(shè)備產(chǎn)生的跨中彎矩。

特殊靜載彎曲試驗的加載等級按如下要求進(jìn)行:

第1加載循環(huán):初始狀態(tài)→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基數(shù)級(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(20 min)→初始狀態(tài)

第2加載循環(huán):初始狀態(tài)→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基數(shù)級(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(3 min)→1.05(3 min)→ …→靜活載級(3 min)→…→活載級(3 min)→…→K0級(20 min)→初始狀態(tài)

若在第2加載循環(huán)加載至K0級時梁體出現(xiàn)裂縫，應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力度的驗證加載。驗證加載按如下要求進(jìn)行：

驗證加載循環(huán):初始狀態(tài)→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基數(shù)級(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→1.00(3 min)→1.05(3 min)→…→靜活載級(3 min)→…→活載級(3 min)→…→K1級(20 min)→初始狀態(tài)

一般靜載彎曲試驗的加載等級按如下要求進(jìn)行：

初始狀態(tài)→0.20(3 min)→0.40(3 min)→0.60(3 min)→基數(shù)級(3 min)→0.80(3 min)→0.90(3 min)→靜活載級(3 min)→活載級(3 min)→1.00(20 min)→初始狀態(tài)

特殊靜載彎曲試驗中，各加載循環(huán)中基數(shù)級、靜活載級、活載級、K1級應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整加載的次序。在預(yù)應(yīng)力度的驗證加載中，若活載級大于K1級則取消活載級;若靜活載級大于K1級則取消靜活載級。一般靜載彎曲試驗中，若活載級大于1.00級則取消活載級;若靜活載級、活載級大于1.00級則取消靜活載級、活載級。

2.4 評價標(biāo)準(zhǔn)

評價指標(biāo)包括相對殘余、應(yīng)力及撓度校驗系數(shù)、抗裂性或預(yù)應(yīng)力度。

1)相對殘余評價方法與文獻(xiàn)[1]相同。

2)應(yīng)力及撓度校驗系數(shù)評價。對于預(yù)制梁的靜載試驗，由于沒有橋面鋪裝等附屬設(shè)施參與作用，在彈性模量有保障的情況下應(yīng)力及撓度校驗系數(shù)實測值與計算值接近，考慮到混凝土材料的變異性，采用1.05的限值較為合理。

3)對于特殊靜載彎曲試驗，應(yīng)對預(yù)制梁的抗裂性進(jìn)行評定，當(dāng)預(yù)制梁抗裂性不合格時應(yīng)對預(yù)制梁的預(yù)應(yīng)力度進(jìn)行評定。

①抗裂性評價。在K=K0加載等級下持荷20 min，梁體下緣底面未發(fā)現(xiàn)受力裂縫或下緣側(cè)面(包括倒角、圓弧過渡段)的受力裂縫未延伸至梁底邊，則評定該梁抗裂性合格，否則評定為不合格。

②預(yù)應(yīng)力度評價。在K=K1加載等級下持荷20 min，梁體下緣底面未發(fā)現(xiàn)受力裂縫或下緣側(cè)面(包括倒角、圓弧過渡段)的受力裂縫未延伸至梁底邊，評定該梁預(yù)應(yīng)力度合格，否則評定為不合格。

4)對于一般靜載彎曲試驗，應(yīng)對預(yù)制梁在設(shè)計荷載下的抗裂性進(jìn)行評定。在K=1.00加載等級下持荷20 min，梁體下緣底面未發(fā)現(xiàn)受力裂縫或下緣側(cè)面(包括倒角、圓弧過渡段)的受力裂縫未延伸至梁底邊，評定該預(yù)制梁抗裂性滿足設(shè)計荷載的正常使用要求，否則評定為不滿足。

3 結(jié)語

為了保證公路預(yù)制梁的質(zhì)量，應(yīng)該從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化及施工標(biāo)準(zhǔn)化2方面出發(fā)同時提高設(shè)計和施工水平。預(yù)制梁的靜載彎曲試驗是直接檢驗設(shè)計及施工合理性的最直接方法，應(yīng)在梁廠預(yù)制階段予以充分重視。目前公路尚無成熟的針對預(yù)制梁的靜載彎曲試驗檢驗辦法及評價標(biāo)準(zhǔn)，《廣東省高速公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》的編制是有益的補充，但所作的研究難免存在疏漏，在后期的實踐中將對該辦法不斷進(jìn)行完善、修改。