弯剪开裂后预应力混凝土梁承载能力试验研究

刘 利，高 岩，梁志广

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

弯剪开裂后预应力混凝土梁承载能力试验研究

刘 利，高 岩，梁志广

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

某预应力混凝土简支箱梁桥在L/4跨径处梁体腹板出现较多弯剪裂缝。本文基于荷载试验及理论分析的方法对该桥进行状态评估，对梁体腹板裂缝形态、数量及分布规律进行了统计分析;通过静载试验测试跨中正截面承载能力和斜截面开裂处钢筋应力，通过动载试验测试梁体腹板开裂后结构刚度，对开裂梁体的正截面及斜截面承载能力进行评估，并结合理论计算分析腹板斜截面裂缝产生的原因。研究表明：对于预应力混凝土简支箱梁桥，在结构的正截面承载能力及结构刚度尚能满足设计要求的情况下，不能排除斜截面承载能力不足，需要引起重视。

弯剪裂缝 简支箱梁 荷载试验

1 工程概述

某桥全长162.7 m，跨径组合(3×20+30+3×20)m，桥面布置为0.25 m栏杆+1.0 m人行道+7.0 m行车道+1.0 m人行道+0.25 m栏杆。上部结构为20 m和30 m预应力简支小箱梁，混凝土强度等级为C35，20 m，30 m 小箱梁梁高分别为1.0 m，1.6 m，每跨横向由3片小箱梁组成，中心距为2.78 m，仅设端横梁。上部结构的施工方法是采用先架设U型预制梁，然后铺设预制板，再浇筑整体化层，形成桥面及上部结构整体。下部结构采用重力式桥台、双柱式桥墩。桥面铺装采用现浇C35混凝土(5.0～8.5 cm)+沥青混凝土(3 cm)。设计荷载标准为汽20，挂100;设计通行速度为30 km/h，桥梁布置见图1～图2。

图1 桥梁平立面布置示意(单位：cm)

图2 30 m(20 m)梁横断面(单位：cm)

2 裂缝概况

检查发现，20 m梁梁体腹板在桥跨L/10～L/3范围、30 m梁梁体腹板在桥跨L/4附近均出现较宽腹裂缝。从裂缝分布情况看(图3)，20 m梁裂缝明显多于30 m梁;各跨中梁裂缝数量均比边梁多;1跨～3跨裂缝数量较5跨～7跨多。裂缝呈中间宽两头细，裂缝与梁轴线的夹角在35°～42°之间，裂缝最大宽度0.4 mm，裂缝处混凝土有压碎啃边现象，见图4～图5。

图3 全桥裂缝数量统计

图4 梁体腹板典型裂缝

图5 第一跨中梁裂缝展开(裂缝宽度单位：mm)

3 荷载试验

为了解梁体的实际工作状态，判断该梁体弯剪开裂后实际承载能力是否满足原设计荷载要求，通过荷载试验评定本桥的工作状况。

3.1 荷载试验内容

本桥桥跨均为简支跨，结合结构受力特点及梁体腹板开裂现状，本次试验主要内容为：①裂缝较多的第3跨梁体跨中截面的应变分布、中性轴高度和整体刚度，评判梁体正截面承载能力是否满足规范要求(图6);②各跨梁体自振频率，评判全桥自身动力特性;③为了测试腹板开裂处钢筋应力幅值，评判斜截面承载能力是否满足规范要求，选取腹板斜裂缝最多的第2跨中梁进行测试(图7)。

图6 第3跨跨中截面测点布置示意

图7 20 m跨2#梁裂缝测点布置

3.2 试验结果评判

1)正截面(跨中)试验结果表明：20 m和30 m梁跨中截面的各项试验指标正常，跨中截面的抗裂性及承载能力尚能够满足原设计荷载的要求，见图8和图9。

2)斜裂缝试验结果表明，受弯矩影响较小的跨裂缝测点(距中性轴较近的1#、5#及8#测点)处裂缝扩展与截面所受剪力基本线性相关(图10)。裂缝处实测最大应变已达479×10-6，试验时加载车单辆的平均重量为286.4 kN，而设计荷载重车为300 kN并需考虑1.3的冲击，由此推算设计荷载作用下的应变应该达到652×10-6，也即在设计荷载作用下斜裂缝的扩展可以达到0.10 mm，由于此时拉应力全部由箍筋及弯起钢筋承受，对应斜裂缝处的钢筋的活载应力幅将达到130 MPa。

3)动载试验结果表明，20 m跨实测自振频率均高于理论频率4.997 Hz，说明20 m跨实际刚度高于理论刚度，第1跨～3跨自振频率接近，为6.01，6.03，5.98 Hz，而第5 跨 ～7 跨略高为 6.18，6.21，6.23 Hz，这一测试结果与裂缝的实际分布情况相符(第1跨～3跨梁端斜向裂缝较5跨～7跨梁端斜向裂缝开裂明显严重)。这一现象说明，虽然20 m跨实测频率仍高于理论频率，梁体的开裂已经造成结构刚度的下降。30 m跨实测自振频率4.460 Hz高于理论频率3.591 Hz，说明30 m跨实际刚度高于理论刚度。

图8 第3跨2#梁挠度—荷载效率曲线

图9 第4跨2#梁应变—荷载效率曲线

图10 裂缝宽度扩展与腹板试验剪力相关性对比

4 病害原因分析

选取本桥20 m跨中梁计算距梁端4 m斜截面(腹板开裂处)抗剪承载能力。根据预应力混凝土受弯构件斜截面承载能力计算公式：γ0Vd≤Vcs+Vsb+Vpd(其中，γ0为桥梁结构的重要性系数;Vd为斜截面受压端由作用效应所产生的最大剪力组合设计值;Vcs为斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值;Vsb为与斜截面相交的普通弯起钢筋抗剪承载力设计值;Vpd为与斜截面相交的预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值)，计算可得20 m跨中梁的斜截面抗剪承载能力为536.83 kN。在挂100荷载作用下，斜截面剪力组合值达到527.02 kN，虽然小于斜截面抗剪承载能力，但安全储备值已较小，当有超载重车通过时，桥梁存在较大的安全隐患。

5 结论

通过本桥的承载能力评估工作可以看出，在结构的正截面承载能力及结构刚度尚能满足设计要求的情况下，并不排除斜截面承载能力不足的问题。对于本桥，由于斜截面抗剪承载能力储备值较小，腹板出现开裂后，斜截面处承剪混凝土已经退出工作，即使在设计荷载作用下，斜截面箍筋钢筋应力幅值也偏大，结构存在较大的安全隐患。

［1］高岩，郑杉.预应力混凝土梁桥的加固评判实例［J］.铁道建筑，2000(8)：10-12.

［2］马耕，李子春，柯在田.某高速公路预应力混凝土梁桥的检测评估［J］.铁道建筑，2008(10)：25-28.

［3］中华人民共和国交通部.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］中华人民共和国交通部.JTG/T J21—2011 公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］中华人民共和国交通部.JTG/T H21—2011 公路桥梁技术状况评定标准［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］交通部公路科学研究所，交通部公路局技术处.大跨径混凝土桥梁的试验方法［M］.北京：人民交通出版社，1982.

U446.3

A

1003-1995(2012)06-0013-03

2012-02-20;

2012-02-25

刘利(1987— )，男，四川仁寿人，硕士研究生。

(责任审编 王 红)