張志強，董麗娜

(1.河北交規(guī)院瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050091；2.河北省公路安全感知與監(jiān)測重點實驗室 石家莊市 050091；3.河北省道路工程智能監(jiān)測與運維技術創(chuàng)新中心 石家莊市 050091)

目前，中小跨徑梁式橋上部結(jié)構多采用裝配式預應力混凝土梁板，梁場預制已采用標準化施工，建造速度和工程質(zhì)量得到大幅度提高，但由于大規(guī)模預制施工時影響因素控制不當，會造成個別預制梁板產(chǎn)生一定的施工缺陷，如裂縫、空洞、離析等。為了判別施工缺陷對預制梁板受力性能的影響程度，檢驗既有缺陷預制梁板的實際工作狀態(tài)和承載能力能否滿足設計要求，往往在施工階段進行裸梁靜載試驗，在相當于設計荷載的試驗荷載作用下，獲取試驗梁體主要控制截面的應變、變形、裂縫等關鍵參數(shù)試驗結(jié)果，綜合評估既有缺陷預制梁板的強度、剛度以及抗裂性等實際結(jié)構性能是否滿足設計要求，為缺陷梁板的后續(xù)處治提供依據(jù)和同類工程提供工程參考[2-3]。

1 工程概況

某橋上部結(jié)構采用1-13m裝配式預應力混凝土簡支T梁，單幅橋?qū)?.5m防撞護欄+凈11.4m+0.34m防撞護欄，橫向布置8片矮T梁，梁高90cm，中梁頂寬100cm，邊梁頂寬110cm，濕接縫寬57.7cm，混凝土采用C50，設計為預應力混凝土A類構件。橋面鋪裝采用12cm厚C50防水混凝土現(xiàn)澆層+10cm厚瀝青混凝土鋪裝。設計荷載為現(xiàn)行公路—Ⅰ級。其中1-3#T梁澆筑施工后腹板距梁底0.4m高度范圍內(nèi)混凝土澆注不良離析、分層，個別位置粗骨料外露，如圖1所示。在架設預制梁前，為檢驗既有澆筑缺陷1-3#T梁承載能力和受力性能是否滿足設計要求，對1-3#T梁進行裸梁靜載試驗，依據(jù)試驗結(jié)果對既有施工缺陷梁板進行后續(xù)處治。

圖1 1-3#T梁腹板澆筑缺陷概況

2 試驗控制荷載確定

由于預制狀態(tài)的裸梁尚未進行后續(xù)施工過程，其靜載試驗不同于成橋靜載試驗，計算分析與試驗原則存在較大差異。如何以成橋狀態(tài)為基準確定裸梁的試驗控制荷載，成為單梁靜載試驗的關鍵工作，目前常用的方法主要為基于控制截面內(nèi)力等效和基于控制截面應力增量等效[1]。

(1)基于控制截面內(nèi)力等效，即不考慮施工過程和橋面現(xiàn)澆層參與結(jié)構受力，將二期恒載(濕接縫、橋面現(xiàn)澆層、橋面鋪裝、護欄等)和設計車道荷載作用于成橋狀態(tài)裸梁上，確定單梁靜載試驗控制荷載。

(2)基于控制截面應力增量等效，即充分考慮成橋施工過程和橋面現(xiàn)澆層不同程度參與上部結(jié)構主梁共同受力[4]，以不同施工階段不同截面特性主梁的累計應力增量為基準，確定單梁靜載試驗控制荷載[3]。

全橋仿真模擬計算分析模型如圖2所示，按照不同計算分析方式試驗控制荷載計算結(jié)果如表1所示。

圖2 仿真模擬計算分析模型

表1 不同計算分析方式試驗控制荷載計算結(jié)果表

由表1可知：方式一較方式三控制彎矩值大，相差17%，說明橋面現(xiàn)澆層參與預制矮T梁結(jié)構受力程度較大，方式三較方式二控制彎矩值大，相差5%。充分考慮裸梁狀態(tài)至成橋狀態(tài)施工及受力全過程，采用基于累計應力增量的方法(考慮2/3橋面現(xiàn)澆層參與受力[4])確定靜載試驗控制彎矩，即跨中截面控制彎矩為779.14kN·m。

3 試驗加載與測試

3.1 試驗加載

基于跨中控制截面彎矩等效原則，本次靜載試驗利用加載塊分層堆放進行加載[2]，沿梁體縱向加載范圍為6.0m。滿載時加載配重總重為37.26t，跨中截面試驗彎矩為815.6kN·m，荷載效率為1.05。試驗荷載加載分級及加載效率如表2所示，試驗加載塊布置示意圖、受力簡圖如圖3和圖4所示。

表2 試驗荷載加載分級及加載效率表

圖3 試驗加載塊布置示意圖(單位：cm)

圖4 試驗荷載加載受力簡圖(單位：cm)

試驗加載主要程序：

(1)首先進行測試截面、測點位置放樣，并安裝應變、撓度傳感器，連接調(diào)試試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(2)在跨中6m范圍內(nèi)均勻布置方木，并用細沙調(diào)平。

(3)進行預加載試驗，觀察試驗梁體反應，同時檢查測試系統(tǒng)正常工作。

(4)為分析試驗梁體主要控制截面應變、撓度隨荷載變化的規(guī)律性，同時保證加載過程安全可靠，分3級加載至試驗荷載，加載效率分別為37%、78%、105%，分1級卸載至初始狀態(tài)。

(5)每級荷載施加后，待結(jié)構反應穩(wěn)定后，讀取本級測試數(shù)據(jù)。

(6)試驗加載的全過程中，注意實時觀察試驗梁體狀態(tài)，若主要控制截面的應變或撓度實測值超過理論值，結(jié)構受力裂縫長度、寬度、數(shù)量急劇增加，實測變形分布規(guī)律異常，梁體發(fā)出異常響動，支撐臺座發(fā)生失穩(wěn)或其他異常情況等，應終止試驗加載，查清具體原因后，確定是否繼續(xù)試驗加載。

圖5 1-3#預制T梁試驗加載

3.2 試驗測試內(nèi)容

依據(jù)預制T梁結(jié)構有限元計算分析結(jié)果，按照結(jié)構最不利受力原則和代表性原則，選取試驗梁梁體跨中截面(A截面)、L/4截面(B截面)、3L/4截面(C截面)作為主要控制截面進行測試。為充分反映預制T梁結(jié)構應變、撓度及裂縫最不利控制截面的力學特征，本次單梁靜載試驗的主要測試內(nèi)容：

(1)在各級試驗荷載作用下試驗梁體跨中、L/4、3L/4截面撓度。

(2)在各級試驗荷載作用下試驗梁體跨中截面應變。

(3)試驗梁體裂縫及其他異?，F(xiàn)象的試驗加載全過程實時監(jiān)測[1]。

試驗梁主要測試截面和測點布置如圖6～圖8所示。

圖6 1-3#預制T梁主要測試截面布置圖(左側(cè)為小樁號，單位：cm)

圖7 主要測試截面應變測點布置圖(單位：cm)

圖8 主要測試截面撓度測點布置圖(單位：cm)

4 試驗結(jié)果分析

4.1 撓度試驗結(jié)果分析

在各級試驗荷載作用下，1-3#預制T梁各測試截面撓度變形實測結(jié)果如表3、圖9、圖10所示。

圖9 1-3#預制T梁實測撓度變形圖

圖10 1-3#預制T梁實測撓度與理論值相關圖

表3 試驗荷載作用下1-3#預制T梁撓度實測結(jié)果(單位：mm)

2.上述撓度數(shù)據(jù)已進行支點修正

由表3、圖9和10可知，在相當于設計荷載作用下，1-3#預制T梁撓度校驗系數(shù)在0.59～0.70之間，相對殘余撓度在9.0%～17.4%之間，實測撓度與理論值之間基本呈線性關系。其撓度校驗系數(shù)均小于1，基本與本橋澆筑完好的同類預制T梁試驗結(jié)果(0.52～0.75)相吻合，但相對殘余撓度雖滿足小于20%，但已接近限值，同時較本橋澆筑完好的同類預制T梁試驗結(jié)果(0.1%～4.5%)偏大，表明1-3#預制T梁結(jié)構彈性工作狀況偏差。

4.2 應變試驗結(jié)果分析

在各級試驗荷載作用下，1-3#預制T梁L/2測試截面應變實測結(jié)果如表4、圖11、圖12所示。

圖11 1-3#預制T梁L/2截面實測應變沿梁高分布圖

圖12 1-3#預制T梁L/2截面實測與理論應變沿梁高分布圖

表4 試驗荷載作用下1-3#預制T梁L/2截面應變實測結(jié)果(με)

2.上述應變數(shù)據(jù)已取左右對稱測點的平均值

由表4、圖11和12可知，在相當于設計荷載作用下，1-3#預制T梁應變校驗系數(shù)在0.68～0.85之間，相對殘余應變在-1.4%～14.6%之間，實測應變與理論值之間基本呈線性關系，基本符合平截面假定。其應變校驗系數(shù)均小于1，基本與本橋澆筑完好的同類預制T梁試驗結(jié)果(0.66～0.85)相吻合，但相對殘余應變雖滿足小于20%，但已接近限值，同時較本橋澆筑完好的同類預制T梁試驗結(jié)果(3.1%～8.8%)偏大，表明1-3#預制T梁結(jié)構彈性工作狀況偏差。

4.3 抗裂性能試驗結(jié)果分析

試驗加載前，對梁體外觀進行詳細檢查，未發(fā)現(xiàn)可見受力裂縫。在第2級試驗加載時，發(fā)現(xiàn)試驗梁腹板新出現(xiàn)縱向、豎向裂縫，呈十字交叉狀，立即觀測對新裂縫的長度、寬度及分布走向等變化情況。試驗梁腹板新裂縫觀測結(jié)果如表5、圖13、圖14所示。

表5 試驗荷載作用下1-3#預制T梁梁體新裂縫觀測結(jié)果

圖13 試驗荷載作用下1-3#預制T梁腹板新裂縫展開示意圖

圖14 試驗荷載作用下1-3#預制T梁腹板新裂縫分布圖

在相當于設計荷載作用下，1-3#預制T梁左腹板新生裂縫長度0.1～0.2m，寬度典型值為0.06～0.10mm；卸載后裂縫長度和寬度均未閉合。新增裂縫寬度超過文獻[7]規(guī)定的容許值，卸載后擴展寬度未閉合到容許值的1/3，不滿足文獻[5]相關要求。

5 試驗結(jié)果驗證

鑒于該預制T梁澆筑缺陷程度和靜載試驗結(jié)果，為確保工程質(zhì)量安全，對該梁進行廢棄處理，在破除時發(fā)現(xiàn)腹板分層離析部位粗骨料積沉，而腹板上半部幾乎無粗骨料，導致其抗拉強度低，這與試驗過程中該梁彎剪區(qū)段主拉應力軌跡區(qū)域內(nèi)新生裂縫相吻合。1-3#預制T梁腹板內(nèi)部混凝土狀況見圖15。

圖15 1-3#預制T梁腹板內(nèi)部混凝土狀況

6 結(jié)語

(1)在相當于設計荷載作用下，1-3#預制T梁應變校驗系數(shù)為0.68～0.85，撓度校驗系數(shù)為0.59～0.70，滿足文獻[6]要求；相對殘余應變?yōu)?1.4%～14.6%、相對殘余撓度為9.0%～17.4%，雖滿足文獻[6]小于20%的要求，但已接近限值，同時較本橋澆筑完好的同類預制T梁試驗結(jié)果偏大，其結(jié)構彈性工作狀況偏差。

(2)在相當于設計荷載作用下，1-3#預制T梁腹板在彎剪力區(qū)段主拉應力軌跡區(qū)域內(nèi)新生裂縫，其寬度超過文獻[7]規(guī)定的容許值，卸載后擴展寬度未閉合，不滿足文獻[5]相關要求。

(3)綜合表明該既有施工澆筑缺陷預制T梁的受力性能不滿足設計要求。

(4)該預制T梁腹板下部混凝土粗骨料積沉，上部混凝土幾乎無粗骨料，與靜載試驗結(jié)果相吻合，反應了單梁靜載試驗評估既有施工澆筑缺陷是否影響預制梁板承載能力的可靠性。