基于静载试验评价裂缝对钢筋混凝土桥梁受力性能的影响

■　魏有恩（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路水运工程重点试验室，福州　350004）



基于静载试验评价裂缝对钢筋混凝土桥梁受力性能的影响

■魏有恩1，2
（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路水运工程重点试验室，福州350004）

摘要本文基于桥梁静载试验，采用有限元软件建立结构分析模型，通过对钢筋应变的监测，分析裂缝开展的最大宽度，评价裂缝对钢筋混凝土桥梁的受力性能的影响。

关键词桥梁荷载试验有限元数值分析钢筋应变裂缝开展

1　引言

桥梁静载试验是对新建桥梁交工验收和已建桥梁运营时进行承载力的评定，检测桥梁整体受力性能是否满足设计和标准规范要求。对于新桥型、新材料、新设计理念的发展，桥梁静载试验仍是评定桥梁承载能力最直接和最有效的办法。特别是当桥梁出现缺陷损伤时，桥梁静载试验为进一步深入评价带缺陷工作的桥梁能否满足通行荷载等级要求发挥着不可替代的作用。

某钢筋混凝土桥梁在外观检查中发现梁底横向裂缝且延伸至腹板，通过静载试验的实测结果与有限元理论计算结果进行对比，分析桥跨结构裂缝开展的最大宽度，评价裂缝对桥跨结构受力性能的影响。

2　工程概况

某高速互通D匝道桥，桥长174.50m，平曲线半径R=80.00m。上部构造共3联，试验对象为该桥第二联3×16m现浇钢筋砼连续箱梁。桥面宽度为0.50m（防撞栏）+8.00m（行车道）+0.50m（防撞栏）。该桥横截面为单箱双室结构，梁高1.50m，翼缘板宽1.50m，梁底宽6.00m。下部结构采用柱式墩、肋板桥台，钻孔桩基础。现浇箱梁采用C40砼，桥墩身采用C35砼。设计荷载：公路-I级。桥梁总体立面见图1，跨中截面见图2。

图1　某高速互通D匝道桥第二联结构布置图（单位：m）

图2　跨中截面示意图（单位：m）

经外观检查，该现浇箱梁第4跨梁体右侧腹板，距4#墩8.20m处，1条竖向裂缝延伸并贯穿梁底至左腹板，右腹板竖向裂缝缝宽0.10mm，缝长0.60m，梁底横向裂缝缝宽0.12mm，缝长0.75m，缝深45mm（梁底纵向钢筋设计保护层厚度37mm），左腹板竖向裂缝缝宽0.10mm，缝长0.85m。

受业主委托验收桥梁整体受力情况，对该联进行静载试验，同时为分析裂缝的存在对桥梁整体受力性能的影响，对裂缝开展情况进行监测。为此，设置4个测试截面（图3）：第4跨最大正弯矩截面（Ⅰ-Ⅰ）、第5跨跨中截面（Ⅱ-Ⅱ）、4#墩支点负弯矩截面（Ⅲ-Ⅲ）、第4跨横向裂缝贯穿截面（Ⅳ-Ⅳ）。通过在试验工况下各测试截面的应力应变反应及挠度响应，以及裂缝开展情况的监测结果，评价裂缝对桥梁的整体受力性能的影响。

图3　试验测试截面示意图（单位：m）

第4跨横向裂缝贯穿截面，需凿除裂缝截面的保护层，在纵向主筋上布置钢筋应变片，监测裂缝处的钢筋应变。当混凝土截面出现贯穿裂缝的情况时，表面混凝土退出了参与受弯构件的受力，因此通过钢筋应变来反应桥梁的整体受力性能和裂缝开展情况是较为准确的方法。

3　试验分析

3.1有限元计算

采用大型有限元通用软件Midas Civil建立该桥的空间有限元分析模型，梁体结构采用57个节点，48个单梁单元模拟，模型如图4所示。由于该桥处于半径R=80.00m平曲线上，模型建立成弯桥结构，根据角度调节各个支撑节点的局部坐标系。

图4　某桥模型计算图

3.2静载试验效率

根据计算所得到桥跨结构的设计活载内力包络图，静力荷载试验测试截面与加载效率如表1所示。

表1　静力试验荷载效率计算一览表

4　试验结果分析

4.1桥梁承载能力的评定方法

4.1.1校验系数

校验系数η是评定结构工作状况，确定桥梁承载能力的一个重要指标，可以从中判定桥梁结构的承载能力的工作状态。

实测结构校验系数η是试验的实测值与理论计算值的应力或挠度之比，它反映结构的实际工作状态。

对于应力，则：

对于挠度，则：

η值越小说明结构的安全储备越大，但η值不宜过大或过小，如η值过大说明组成结构的材料强度可能较低，结构各部分联结性能较差，刚度较低等。η值过小可能说明组成结构材料的实际强度及弹性模量较大，梁桥的混凝土铺装及人行道等与主梁共同受力，支座摩擦力对结构受力的有利影响，以及计算理论或简化的计算图式偏于安全等等。另外，试验加载物的称量误差、仪表的观测误差等对η值也有一定的影响。

4.1.2相对残余变位（或应变）

残余变位（或残余应变）按下列公式计算：

总变位（或总应变）St＝Sl－Si

弹性变位（或弹性应变）Se＝Sl－Su

残余变位（或残余应变）Sp＝St－Se＝Su－Si

式中，Si——加载前测值；

Sl——加载达到稳定时测值；

Su——卸载后达到稳定时测值。

引入相对残余变位（或应变）的概念描述结构整体或局部进入塑性工作状态的程度。

相对残余变位（或应变）按下式计算：

4.1.3裂缝

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004），箱形截面钢筋混凝土受弯构件的最大裂缝宽度可按下列公式计算：

因此，通过裂缝截面的钢筋应变可以获得箱梁最大裂缝宽度值，用以评定桥梁的受力性能。

普通钢筋混凝土构件允许出现裂缝。试验荷载作用下裂缝宽度不应超过设计标准的许可值（见表2），并且卸载后应闭合到小于容许值的1/3。原有的其它裂缝（施工裂缝、收缩裂缝和温度裂缝），受载后也不应超过标准容许宽度［2］。

表2　裂缝限值表

4.2挠度测试结果与分析

在试验加载工况作用下，各控制截面的实测挠度及其与理论计算值的比较如表3所示。

表3　各控制截面挠度分析表

4.3应变测试结果与分析

在试验加载工况作用下，各控制截面的实测应变及其与理论计算值的比较如表4所示。

4.4裂缝观测结果

表4　各控制截面应变分析表

表5　裂缝截面钢筋应变分析表

由表5可得，在工况1、2作用下，裂缝截面应变校验系数均处于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（1982年10月）规定的常值范围（0.70～1.05）。根据钢筋应变通过公式1计算得到的混凝土最大开裂宽度为0.22mm，小于《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21 -2011）规定的缝宽限值0.25mm，同时卸载后裂缝能够闭合到小于容许值的1/ 3。

在各试验工况荷载作用下，各测试截面附近均未观测到新裂缝。

5　结论

（1）从表3、表4可知，第4跨、第5跨各测试截面测点在偏载工况下实测挠度、应变最大值小于考虑偏载系数1.15的理论值，该桥抗倾覆性能良好。

（2）各测试截面挠度、应变校验系数均处于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（1982年10月）规定的常值范围（0.70～1.05），相对残余挠度、应变最大值均小于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（1982年10月）规定的20％，该桥整体受力性能良好。

（3）从表5可知，通过监测，结果显示裂缝截面应变校验系数均处于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（1982年10月）规定的常值范围（0.70～1.05）。通过换算得到的混凝土最大开裂宽度为0.22mm，小于《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）规定的缝宽限值0.25mm，同时卸载后裂缝能够闭合到小于容许值的1/3，说明该裂缝对桥梁结构整体受力影响较小。

（4）建议及时对裂缝进行封闭处理，并采用黏贴预应力碳纤维布的方式对裂缝截面进行补强。

参考文献

［1］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（J）.北京：人民交通出版社，2004.

［2］JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程（J）.北京：人民交通出版社，2011.