曾 勇，邱 周，敖付勇，魏 星，肖光烈，李 強(qiáng)

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶市鐵路(集團(tuán))有限公司，重慶 401120；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司投資事業(yè)部，重慶 400074；4.重慶市永川區(qū)公路服務(wù)中心，重慶 402160；5.中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶 400084)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會對交通運(yùn)輸行業(yè)的需求增大，橋梁梁體現(xiàn)澆已經(jīng)無法滿足橋梁施工進(jìn)度的要求。隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的橋梁構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了預(yù)制化施工。小箱梁的裝配式安裝具有專業(yè)技術(shù)性強(qiáng)、施工速度快、產(chǎn)品質(zhì)量高、總體投資少等特點(diǎn)[1-3]。施工單位按照需求進(jìn)行訂制，工廠根據(jù)施工單位的要求按照時間、規(guī)格和數(shù)量保質(zhì)保量地生產(chǎn)并運(yùn)送至施工場地，且小箱梁的工廠化預(yù)制不受場地和氣候等外部因素的影響，成本也低于現(xiàn)場澆筑[4-5]。但預(yù)制梁體的質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則需要經(jīng)過荷載試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。通過荷載試驗(yàn)，可以檢測預(yù)制小箱梁的施工質(zhì)量和受力性能，從而對橋梁梁體的性能進(jìn)行有效評估，檢驗(yàn)預(yù)制安裝梁體的可靠性。

為了評估單梁的承載力，需要對單個小箱形梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)、有限元分析和理論計(jì)算。劉鈺杰通過靜荷載試驗(yàn)與Midas Civil建模分析，得出有限元計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值變化曲線吻合、計(jì)算結(jié)果接近，有限元模型可以用于小箱梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析的結(jié)論[1]；蘇春華在進(jìn)行主梁受力性能分析時發(fā)現(xiàn)，如果考慮橋面鋪裝的影響，其結(jié)果更加接近荷載試驗(yàn)的實(shí)測結(jié)果，與不考慮其影響時相比，主梁的計(jì)算應(yīng)力、撓度分別降低20%、35%[2]；馬占凱通過分析研究認(rèn)為計(jì)算模式對于小箱梁橋校驗(yàn)系數(shù)有顯著影響[3]。

通過有限元分析并與荷載測試結(jié)果進(jìn)行比較，能夠判斷荷載測試數(shù)據(jù)是否正確[6]。內(nèi)力的等效原理可以應(yīng)用于橋面鋪裝荷載，使靜載試驗(yàn)結(jié)果更接近真實(shí)狀態(tài)。

1 工程概況

某大橋跨徑組合為5×20 m裝配式先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單幅橋橫向布置均為2×0.5 m+11.25 m，橋梁橫向布置4片箱梁，設(shè)計(jì)荷載等級為公路Ι級荷載，主梁由C50混凝土澆筑構(gòu)成。箱梁截面圖見圖1。

圖1 端跨邊梁橫斷面

通過對預(yù)制小箱梁單梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測定小箱梁各控制截面的應(yīng)力、撓度與裂縫等各項(xiàng)指標(biāo)，從而確定梁體的強(qiáng)度、剛度和抗裂性能等是否滿足設(shè)計(jì)要求。小箱梁現(xiàn)場圖見圖2。

圖2 實(shí)橋小箱梁梁體圖

2 靜載試驗(yàn)

2.1 內(nèi)力等效分析

根據(jù)試驗(yàn)箱梁的實(shí)際安裝位置，以試驗(yàn)箱梁在正常使用狀態(tài)下跨中截面最大彎矩作為試驗(yàn)加載的依據(jù)，按照裸梁跨中截面下緣混凝土應(yīng)力增量等效的原則進(jìn)行主梁跨中抗彎試驗(yàn)。箱梁端跨邊梁跨中內(nèi)力等效計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 20 m箱梁端跨邊梁的跨中內(nèi)力等效計(jì)算結(jié)果

2.2 有限元模型分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，使用有限元分析軟件Midas Civil進(jìn)行梁的彈性分析。計(jì)算模型見圖3。

圖3 有限元模型圖

2.3 測試截面及測點(diǎn)布置

根據(jù)小箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在試驗(yàn)箱梁上布置2個應(yīng)變(應(yīng)力)測試截面和5個撓度測試截面。在混凝土表面布置了22個應(yīng)變測量點(diǎn)，并且通過轉(zhuǎn)換測得的應(yīng)變值和混凝土的彈性模量來獲得應(yīng)力值。使用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測量應(yīng)變值。在L/4，L/2和(3/4)L區(qū)域分別布置了兩個撓曲測量點(diǎn)，在支點(diǎn)截面上分別布置了一個撓曲測量點(diǎn)。使用電子百分表測試偏轉(zhuǎn)點(diǎn)。測試截面位置以及截面測點(diǎn)布置見圖4。

圖4 測試截面位置

控制截面應(yīng)變和撓度測點(diǎn)見圖5～圖8；應(yīng)變片及百分表現(xiàn)場布置圖見圖9。

圖5 L/2截面撓度、J1截面應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖

圖6 L/4截面撓度、J2截面應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖

圖7 3L/4截面撓度測點(diǎn)布置示意圖

圖8 支點(diǎn)截面撓度測點(diǎn)布置示意圖

圖9 應(yīng)變片與百分表安裝

圖中“”標(biāo)記表示應(yīng)變測量點(diǎn)在箱梁的表面布置位置，“×2”表示在此點(diǎn)布置2個測量點(diǎn)，而在其他的位置布置1個測量點(diǎn)，且其布置應(yīng)沿順橋方向。選用相同阻值應(yīng)變片，粘貼時應(yīng)對箱梁貼片部位進(jìn)行表面處理，確保應(yīng)變片粘貼牢固、定位準(zhǔn)確、滿足絕緣要求、防潮(水)防損傷措施得當(dāng)；“↑ ”為撓度測點(diǎn)。

在加載前后分別觀察主梁有無裂縫存在，若在荷載加載之前主梁存在裂縫，則觀察裂縫在試驗(yàn)加載過程中的發(fā)展情況。

2.4 試驗(yàn)加載

2.4.1 加載方式

根據(jù)測試現(xiàn)場的條件，將每卷2 t的鋼筋用作均勻分配的荷載，并分別計(jì)算和施加每個試驗(yàn)箱梁所需荷載。根據(jù)跨中截面內(nèi)力等效的原理，試驗(yàn)荷載加載圖如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)加載圖式

正式加載前通過對各試驗(yàn)加載截面以滿載的1/3～2/3進(jìn)行預(yù)載來消除非彈性變形。裝載分類由裝載重量的數(shù)量和質(zhì)量決定，分為2～4個階段。加載分級具體分為零載、40%、70%、100%控制荷載。根據(jù)主梁加載前的撓度和應(yīng)變實(shí)測數(shù)據(jù)，調(diào)整載荷分類，以保證其載荷安全。試驗(yàn)加載程序見表2。

表2 試驗(yàn)加載程序表

荷載試驗(yàn)加載現(xiàn)場圖見圖11。

圖11 荷載試驗(yàn)加載圖

為保證加載安全，試驗(yàn)過程中隨時將關(guān)鍵部位的實(shí)測值與計(jì)算值、規(guī)范允許值進(jìn)行比較，及時掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，對加載過程進(jìn)行控制[7]。

2.4.2 加載效率

通過等效換算設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的最不利內(nèi)力來獲得試驗(yàn)荷載。等效轉(zhuǎn)換應(yīng)滿足0.85～1.05的負(fù)載測試效率ηq。表3顯示了此測試的負(fù)載效率。

表3 試驗(yàn)荷載效率

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

各試驗(yàn)荷載作用下，各試驗(yàn)截面實(shí)測測點(diǎn)應(yīng)變見表4。

表4 試驗(yàn)荷載作用下測試截面應(yīng)變及校驗(yàn)系數(shù)

3.2 撓度試驗(yàn)結(jié)果

測試截面在試驗(yàn)荷載作用下各測點(diǎn)的撓度及校驗(yàn)系數(shù)見表5。

表5 試驗(yàn)荷載作用下測點(diǎn)撓度及校驗(yàn)系數(shù)

根據(jù)各測點(diǎn)所測得實(shí)測撓度值與計(jì)算得到理論值繪圖進(jìn)行對比，所繪制圖形見圖12。

圖12 實(shí)測撓度值與理論撓度值對比圖

從圖12數(shù)據(jù)可見，實(shí)測撓度值均小于理論計(jì)算值，滿足規(guī)范要求。

3.3 裂縫觀測結(jié)果

在測試加載之前，在單梁的每個控制截面中均未發(fā)現(xiàn)裂縫。在加載過程中和卸載后，梁的控制截面均未發(fā)現(xiàn)裂縫。

4 結(jié)論

(1)本次荷載試驗(yàn)控制截面加載測試的加載效率為0.98，滿足0.85～1.05的規(guī)范要求；

(2)在荷載作用下，各試驗(yàn)段測量點(diǎn)的應(yīng)變值試驗(yàn)系數(shù)在0.6～0.9。每個控制截面測量點(diǎn)處的最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?16.5%，小于20%，表明小箱梁的承載能力滿足規(guī)范要求；

(3)在每個荷載作用下，單梁的每個控制截面所測撓度小于計(jì)算值，撓度結(jié)果的校驗(yàn)系數(shù)在0.7～0.8，卸載后的相對殘余變形小于試驗(yàn)規(guī)范的極限值，最大值為13.3%；

(4)荷載試驗(yàn)前后小箱梁控制截面均無裂縫產(chǎn)生，靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋裸梁靜力性能滿足使用要求。