摘要：文章以某預(yù)制梁為靜載試驗對象，參照房屋建筑的靜載試驗方法，按預(yù)制梁靜載試驗荷載進(jìn)行分級，采用適用性檢驗荷載、安全性檢驗荷載試驗工況，對該預(yù)制梁承載能力進(jìn)行評定分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用荷載試驗規(guī)范規(guī)定的檢驗荷載和安全性檢驗荷載差值達(dá)到40%；在預(yù)制梁試驗過程中，應(yīng)使加載力沿整體截面?zhèn)髁?，避免由于加載點局部受力引起裂縫的產(chǎn)生；在對承載能力結(jié)果的判定中，要綜合考慮撓度及應(yīng)變校驗系數(shù)、殘余系數(shù)的結(jié)果，同時應(yīng)考慮彈性構(gòu)件的加載線形吻合性及裂縫對結(jié)構(gòu)承載能力的影響，分析裂縫成因，綜合評定預(yù)制梁的承載能力。

關(guān)鍵詞：預(yù)制梁；靜載試驗；承載能力評定；裂縫

中圖分類號：U446

0 引言

目前，在高速公路及市政橋梁的建設(shè)中，大量橋梁采用了預(yù)制T梁和小箱梁作為上部結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件。在預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)制過程中，由于施工控制不嚴(yán)，容易出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力度不足、混凝土澆筑不密實、強度不足、裂縫等病害，在項目建設(shè)過程中，需要通過單梁靜載試驗評價預(yù)制梁承載能力。江京翼等［1］以某預(yù)應(yīng)力度不足的預(yù)制PC小箱梁為靜載試驗對象，發(fā)現(xiàn)小箱梁應(yīng)變及撓度校驗系數(shù)不能完全反映試驗梁的使用性能和承載能力，須結(jié)合裂縫情況、實測位移及其理論值的線性相關(guān)情況綜合評定。張志強等［2］以某既有缺陷的預(yù)制T梁為研究對象，采用靜載試驗對其承載能力進(jìn)行評定，并采用破損試驗進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在澆筑缺陷。在以往靜載試驗的研究中，均以《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）［3］（以下簡稱《試驗規(guī)程》）為主要標(biāo)準(zhǔn)，采用的試驗荷載標(biāo)準(zhǔn)多采用恒載和活載（考慮沖擊系數(shù)）進(jìn)行組合。本文參考房屋建筑中采用靜載試驗對構(gòu)件承載能力評定方法，考慮設(shè)計中的荷載組合，可對預(yù)制梁檢驗荷載分為適用性檢驗荷載、安全性檢驗荷載、極限狀態(tài)承載能力檢驗荷載，對預(yù)制梁承載能力進(jìn)行評價，可為類似工程預(yù)制構(gòu)件承載能力評定提供參考。

1 傳統(tǒng)基于靜載試驗的承載能力分析方法

對于傳統(tǒng)的橋梁靜載試驗做法，主要依據(jù)《試驗規(guī)程》。其中規(guī)范第5.4.2條規(guī)定：靜載試驗荷載效率η，對交（竣）工驗收荷載試驗，宜介于0.85～1.05；否則，η宜介于0.95～1.05。η應(yīng)按式（1）計算。

η=Sstat／S（1+μ）（1）

式中：Sstat——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——設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下，檢測部位位移或截面內(nèi)力的計算值（不計沖擊作用時）；

μ——計算汽車荷載效應(yīng)計入的沖擊系數(shù)，按相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范取用。

在預(yù)制梁的加載試驗中，由于還未達(dá)到成橋階段，式（1）中除考慮車輛荷載的作用，還應(yīng)考慮實際施工過程的混凝土調(diào)平層及橋面鋪裝、防撞墻等荷載的影響。

2 基于橋梁設(shè)計狀態(tài)的靜載試驗分析方法

在實際的橋梁工程建設(shè)過程中，往往是由于施工過程中預(yù)制梁質(zhì)量存在缺陷，如混凝土局部缺陷，有效預(yù)應(yīng)力不足等。若采用傳統(tǒng)的靜載試驗的效率系數(shù)，往往由于加載力值較小，不能完全判定預(yù)制梁承載能力是否滿足原設(shè)計的要求。對此，本文參照房屋建筑的靜載試驗方法，按預(yù)制梁靜載試驗荷載進(jìn)行分級，分為適用性檢驗荷載、安全性檢驗荷載、極限狀態(tài)承載能力檢驗荷載。

（1）構(gòu)件適用性檢驗荷載的效應(yīng)應(yīng)大于可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)與永久作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)之和，即：

Qs=Gk+Qk（2）

式中：Qs——構(gòu)件適用性短期結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能檢驗值；

Gk——永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；

Qk——可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值，對于汽車荷載，應(yīng)考慮沖擊系數(shù)的影響。

（2）構(gòu)件安全性檢驗荷載的效應(yīng)應(yīng)大于可變作用設(shè)計值的效應(yīng)與永久作用設(shè)計值的效應(yīng)之和，即：

Qd=γGGk+γQQk（3）

式中：Qd——構(gòu)件安全性結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能檢驗值；

γG——永久荷載分項系數(shù)，一般取1.2；

γQ——可變荷載分項系數(shù)，一般取1.4。

（3）構(gòu)件極限狀態(tài)承載能力檢驗荷載為構(gòu)件安全性檢驗荷載與結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)之乘積，即：

Qu=γ0（γGGk+γQQk）（4）

式中：Qu——構(gòu)件極限狀態(tài)承載能力檢驗荷載值；

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

結(jié)構(gòu)實體中的構(gòu)件靜載試驗，針對的是具體的構(gòu)件，考慮到結(jié)構(gòu)安全，一般不進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的檢驗，加載至構(gòu)件安全性檢驗荷載。

3 試驗結(jié)果判定

對于試驗結(jié)果，若滿足以下要求，認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

（1）結(jié)構(gòu)應(yīng)變與位移校驗系數(shù)lt; 相對殘余系數(shù)均lt;20%。

（2）對于線彈性工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，測點實測位移或應(yīng)變與理論值呈現(xiàn)線形關(guān)系。

（3）結(jié)構(gòu)裂縫寬度不超過相關(guān)規(guī)范的要求。

4 工程實例

4.1 橋梁概況

某橋上部結(jié)構(gòu)為4×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁，橋長87 m，全橋共1聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）簡支變連續(xù)小箱梁；下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，樁基按摩擦樁設(shè)計。汽車荷載等級：城-A級。

在施工中由于施工質(zhì)量較差，預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備故障等原因，業(yè)主對預(yù)制梁質(zhì)量存疑，須評價預(yù)制梁的承載能力狀況。如圖1、圖2所示為抽取的邊跨中梁的立面圖及斷面圖。

4.2 試驗理論計算

采用剛接板法計算結(jié)構(gòu)跨中橫向分布系數(shù)，采用杠桿法計算支點橫向分布系數(shù)，計算出結(jié)構(gòu)適用性檢測荷載、安全性檢驗荷載。進(jìn)行以下兩個工況的檢驗：

工況一：構(gòu)件適用性檢測荷載；

工況二：構(gòu)件安全性檢驗荷載。

計算結(jié)果見表1。

本次試驗采用千斤頂分級加載，加載共分16級，其中分級7為適用性檢驗荷載，即對應(yīng)采用傳統(tǒng)靜載試驗方法加載力值，分級16為安全性檢驗荷載，由表2數(shù)據(jù)可見，安全性檢驗荷載比適用性檢驗荷載加載力值大40%，兩者加載力值具有較大差異。

4.3 試驗加載方式

根據(jù)現(xiàn)場檢測條件，制作反力架，千斤頂進(jìn)行加載，加載示意圖見圖3。

4.4 測點布置方式

應(yīng)變測點位于跨中截面（A斷面）梁頂、底面，每片試驗梁布置6個應(yīng)變測點。見下頁圖4。

試驗同時觀測控制截面撓度變化情況，沿梁體四分點、支點布置撓度測點，共計5個測點。測點布置示意圖見圖5，采用數(shù)碼位移傳感器進(jìn)行測試。

4.5 試驗撓度結(jié)果分析

逐級對加載過程中理論值與實測值結(jié)果進(jìn)行比較，限于篇幅，如表3、圖6所示只列出了7級、14級、15級、16級的比較結(jié)果。

4.6 應(yīng)變結(jié)果分析

逐級對加載過程中理論值與實測值結(jié)果進(jìn)行比較，限于篇幅，如表4所示只列出了7級、14級、15級、16級的比較結(jié)果。

由表4數(shù)據(jù)可見，應(yīng)變實測值均小于理論值，校驗系數(shù)lt; 相對殘余l(xiāng)t;20%，結(jié)構(gòu)應(yīng)變狀況良好。

4.7 裂縫測試結(jié)果分析

在進(jìn)行3#～12#梁加載至16級630 kN時，發(fā)現(xiàn)在加載點左右腹板翼板與腹板交接位置出現(xiàn)縱向裂縫，左側(cè)腹板裂縫長度為2.14 m、寬度為0.05 mm，右側(cè)腹板裂縫長度為1.92 m、寬度為0.06 mm，隨后進(jìn)行卸載，裂縫寬度變化如表5所示。

由表5可見，隨著荷載減少，裂縫寬度逐漸閉合，直至減少為0。

4.8 裂縫產(chǎn)生原因理論分析

在主梁加載過程中（圖7），在翼緣板底部的裂縫呈現(xiàn)左右對稱的形式，應(yīng)為受力裂縫，推測是由于千斤頂局部加載導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。對此，建立主梁的三維實體有限元模型，邊界按照實際模擬，千斤頂加載按照面荷載加載（后頁圖8）。

千斤頂加載力值作用下，在腹板與頂板交接處產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力為4.56 MPa（計算結(jié)果見圖9），出現(xiàn)位置與實際加載過程中裂縫產(chǎn)生位置基本一致，據(jù)此可以判斷該裂縫是由于千斤頂局部加載，但加載力值沒有直接沿著腹板傳遞，從而導(dǎo)致產(chǎn)生局部裂縫。

在后續(xù)試驗梁的加載過程中，為了避免千斤頂?shù)木植考虞d引起的裂縫問題，采用更大尺寸的分配力鋼板。

4.9 該主梁評價綜合結(jié)論

綜上，主梁撓度小于理論值，主梁加載力值與撓度基本呈線性關(guān)系，應(yīng)變值小于理論值，在合理范圍內(nèi)，抽檢主梁適用性和安全性均滿足設(shè)計規(guī)范的要求。主梁腹板與翼板交接處裂縫是由于千斤頂局部加載力產(chǎn)生的，不屬于預(yù)制梁結(jié)構(gòu)承載力問題。

5 結(jié)語

本文提出了對存在缺陷的預(yù)制梁采用不同荷載等級的承載力評價方法，分別為承載能力適用性評價、承載能力安全性評價和極限狀態(tài)承載能力評價，并以某預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁為試驗對象，采用靜載試驗的方法對預(yù)制梁進(jìn)行承載能力安全性評價，主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)評價需求的不同，可采用不同的荷載對預(yù)制梁進(jìn)行承載能力適用性評價、承載能力安全性評價和極限狀態(tài)承載能力評價。

（2）采用傳統(tǒng)的荷載試驗組合的加載力值和承載能力安全性評價荷載具有較大差異，在本例中差值達(dá)到40%。

（3）在預(yù)制梁試驗過程中，應(yīng)使加載力沿整體截面?zhèn)髁Γ苊庥捎诩虞d點局部受力引起裂縫的產(chǎn)生。

（4）在對承載能力結(jié)果的判定中，要綜合考慮撓度及應(yīng)變校驗系數(shù)、殘余系數(shù)的結(jié)果，同時應(yīng)考慮彈性構(gòu)件的加載線形吻合性及裂縫對結(jié)構(gòu)承載能力的影響，分析裂縫成因，綜合評定預(yù)制梁的承載能力。

參考文獻(xiàn)

［1］江京翼，譚 鋒，鞠玉財.基于單梁靜載試驗的預(yù)制PC小箱梁承載能力分析方法［J］.橋隧工程，2020（10）：127-130.

［2］張志強，董麗娜.既有缺陷預(yù)制T梁單梁承載能力靜載試驗全過程分析［J］.北方交通，2021（11）：22-26，30.

［3］JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗規(guī)程［S］.

收稿日期：2023-10-18

作者簡介：王 正（1991—），碩士，工程師，主要從事橋梁檢測及設(shè)計工作。