張喜德，李嘉文

(廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引 言

某機械制造廠現(xiàn)有數(shù)十根按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]制作的預應力混凝土吊車梁，該批梁已露天閑置多年(如圖1所示)，預應力錨具及預埋鋼板存在一定程度的銹蝕(如圖2所示)，少部分箍筋銹蝕外露。吊車梁的跨度為6m，設(shè)計承載力為50t，預應力筋的張拉方式為后張法。廠方欲繼續(xù)使用該批吊車梁，但無法確定其是否滿足承載力要求，遂對該批次的舊吊車梁進行試驗。

圖1 閑置的吊車梁

圖2 銹蝕嚴重的預應力錨具

黃義濤[2]的研究表明，受到疲勞荷載作用后的預應力混凝土梁，若梁體結(jié)構(gòu)沒有明顯損傷，其承載力不會有太大的降低。周凌宇等[3]對錨具失效的后張法預應力簡支梁進行了試驗研究，結(jié)果表明，錨具失效后的預應力梁的承載力、結(jié)構(gòu)延性、結(jié)構(gòu)剛度明顯降低。該機械制造廠的數(shù)十根舊吊車梁已存在不同程度的銹蝕，銹蝕作用對疲勞性能及承載性能存在不利的影響，需使用專業(yè)的檢測方法確定舊吊車梁的實際承載力。蔣志軍[4]、任廷選[5]、凌園園[6]對預應力吊車梁進行過現(xiàn)場檢測以及承載力性能試驗，試驗方法易行可靠，取得了良好的效用。

本文對該機械制造廠的兩根預應力混凝土舊吊車梁先后進行了疲勞強度試驗和靜力荷載試驗，以評估該批舊吊車梁的疲勞性能及承載性能。

2 試驗方案

對該機械制造廠現(xiàn)場全部的吊車梁進行外觀檢測，確定每一根舊吊車梁的銹蝕及開裂情況，選取兩根銹蝕最嚴重的舊吊車梁作為試驗梁，將其標記為1號梁和2號梁。清理梁外部的灰塵雜質(zhì)及預應力錨具的表面銹蝕層后，將兩根試驗梁運回實驗室進行疲勞強度試驗和靜力荷載試驗。

2.1 疲勞強度試驗方案

對試驗梁施加疲勞荷載，以模擬其在工作中實際承受荷載的情況。疲勞試驗按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》[7]進行，加載方式為跨中一點加載，荷載的大小為50kN至486kN，循環(huán)次數(shù)為2×106次。采用建筑結(jié)構(gòu)試驗專用的電液伺服系統(tǒng)進行加載，最大加載力為500kN，加載頻率為5Hz。試驗的加載簡圖及測點布置方式見圖3，試驗過程見圖4。

圖3 疲勞強度試驗加載方案

圖4 疲勞強度試驗中的吊車梁

2.2 靜力荷載試驗方案

疲勞強度試驗結(jié)束后，對兩根試驗梁進行靜力荷載試驗。試驗分別采用跨中一點加載和跨中兩點加載的方式，其中1號梁采用跨中一點加載，2號梁采用跨中兩點加載，加載簡圖見圖5和圖6，試驗過程見圖7和圖8。靜力荷載分級施加，每級遞增50kN，直至兩根梁破壞。當加載至某一級荷載時，若梁發(fā)生破壞，則破壞荷載為當級荷載的上一級荷載。

圖5 1號梁靜力加載簡圖

圖6 2號梁靜力加載簡圖

圖7 靜力荷載試驗中的1號梁

圖8 靜力荷載試驗中的2號梁

3 試驗結(jié)果

3.1 疲勞強度試驗結(jié)果

疲勞強度試驗結(jié)果表明，兩根吊車梁在試驗過程中均未產(chǎn)生裂縫，無混凝土脫落，已銹蝕的預應力錨具也沒有產(chǎn)生滑移。當循環(huán)次數(shù)達到2×106次后，繪制1號梁和2號梁的單次循環(huán)跨中荷載-撓度曲線，如圖9和圖10所示。

圖9 1號梁跨中荷載-撓度曲線

圖10 2號梁跨中荷載-撓度曲線

從圖9和圖10中可以看出，兩個試驗梁的加載過程曲線和卸載過程曲線非常貼近，可認為試驗梁仍處于彈性工作階段，沒有發(fā)生塑性變形。當荷載達到最大值時，1號梁和2號梁的跨中撓度為1.317mm和1.362mm。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》[7]，兩根試驗梁均滿足疲勞試驗強度要求。

3.2 靜力荷載試驗結(jié)果

根據(jù)靜力荷載試驗結(jié)果，繪制兩根試驗梁的跨中彎矩-撓度曲線，如圖11和圖12所示。

圖11 1號梁跨中彎矩-撓度曲線

圖12 2號梁跨中彎矩-撓度曲線

從兩個跨中彎矩-撓度曲線可以發(fā)現(xiàn)，跨中撓度隨彎矩的增大呈線性增大趨勢。當兩根梁的撓度分別達到了4mm和5mm時，梁中預應力鋼筋開始屈服，兩根梁轉(zhuǎn)入塑性工作階段，曲線斜率發(fā)生變化且1號梁變化規(guī)律更明顯。試驗梁的破壞是由于跨中上部的混凝土被壓碎，其中1號梁破壞時跨中彎矩為2325kN·m，跨中撓度為13.97mm，2號梁破壞時跨中彎矩為2375kN·m，跨中撓度為18.52mm。當梁破壞時，梁端的預應力錨具沒有發(fā)生錨固失效現(xiàn)象，且周圍混凝土沒有破碎，表明錨具雖表面銹蝕，但對吊車梁的承載性能沒有造成太大的影響。靜力加載結(jié)束后的預應力錨具見圖13。

圖13 靜力加載結(jié)束后的預應力錨具

結(jié)構(gòu)的延性體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)從屈服到破壞時的變形性能，用于衡量結(jié)構(gòu)延性的參數(shù)有截面曲率延性系數(shù)、位移延性系數(shù)等。延性系數(shù)越大，說明結(jié)構(gòu)屈服后的變形性能越強，結(jié)構(gòu)越不容易發(fā)生脆性破壞。對于一般的建筑，位移延性系數(shù)一般為3～5[8]。在試驗中，1號梁對應的位移延性系數(shù)為3.49，2號梁對應的位移延性系數(shù)為3.70，兩根試驗梁都具有良好的延性。

將靜力荷載試驗中的彎矩、撓度結(jié)果匯總于表1。從表中可看到，兩根試驗梁破壞時的跨中極限彎矩大于設(shè)計極限彎矩，前者約為后者的兩倍。由此可得，試驗梁能滿足工作時的承載力要求且具有較大的承載力富余。

表1 靜力荷載試驗結(jié)果匯總

將兩根試驗梁在各級荷載下的最大裂縫寬度列于表2和表3，并繪制跨中彎矩-最大裂縫寬度關(guān)系曲線，見圖14。其中，1號梁的開裂彎矩為1162.5kN·m，2號梁的開裂彎矩為1250kN·m。對比兩個梁最大裂縫寬度-彎矩關(guān)系曲線可知，最大裂縫寬度和跨中彎矩的關(guān)系不嚴格遵循線性關(guān)系。

表2 1號梁裂縫寬度

表3 2號梁裂縫寬度

圖14 最大裂縫寬度-彎矩曲線

4 結(jié) 論

在疲勞強度試驗中，兩根試驗梁在承受2×106次大小為50kN至486kN疲勞荷載后，其單次循環(huán)的加載和卸載曲線非常接近，表明結(jié)構(gòu)沒有損傷，試驗梁仍處于彈性工作階段。在靜力荷載試驗中，兩根試驗梁能滿足工作時的承載力要求且具有較大的承載力富余；試驗梁延性良好，兩根梁的位移延性系數(shù)都超過3；預應力錨具沒有破壞，錨具附近的混凝土沒有脫落，可認為在承受較為嚴重的銹蝕作用后，預應力錨具仍可正常工作。綜上可知，兩根試驗梁的疲勞和承載性能良好，能滿足生產(chǎn)工作需求。