35 m预制混凝土箱梁承载力评定研究

朱德华，赵鹏，王新刚（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津　300222）

35 m预制混凝土箱梁承载力评定研究

朱德华，赵鹏，王新刚*
（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

预应力混凝土箱梁预制完成后需要检验其施工质量，并对其承载能力是否达到设计要求进行评定。文章在对35 m预制混凝土箱梁静载有限元分析的基础上，结合现场静载试验数据，分析评定箱梁承载力。评定结果表明，预制混凝土箱梁承载力符合设计要求，并有一定的安全储备。

混凝土箱梁；承载力；评定

0　引言

预应力混凝土箱梁预制完成后需要检验其施工质量，并对其承载能力是否达到设计要求进行评定。箱梁静载试验是将荷载作用在箱梁上的某个指定位置，测试箱梁结构在荷载作用下的挠度、应变、裂缝等参数，并据此判断箱梁结构在试验荷载作用下的工作性能和承载能力[1]。箱梁静载试验既要客观、准确、全面地评定结构的承载能力与工作性能，同时又要兼顾试验效率，因此，如何准确、高效地进行箱梁静载试验是值得研究的课题。本文在对35 m预制混凝土箱梁静载试验有限元模拟的基础上，结合现场静载试验实测数据，分析评定箱梁的承载力。

1　工程概况

海滨大道北段二期工程自永定河河口南侧的海滨大道疏港三线立交，向北先后跨越疏港四线和规划的永定新河主河道，沿线以高架桥的方式在海滩滩涂地向北延伸，最终在蛏头沽村东北侧接海滨大道北段高速公路主线收费站。主线高架桥采用跨径为35 m的装配式先简支后连续预制混凝土箱梁，其断面如图1所示。

预制箱梁混凝土设计标号为C50，现浇接头，湿接缝采用C50微膨混凝土，预应力管道内水泥浆强度大于40 MPa；锚下控制应力σcon=0.73fpk= 1 357.8 MPa。设计弯矩（二期加活载）5 564.2 kN·m。

2　35 m预制混凝土箱梁静载有限元分析

2.1有限元模型的建立

根据设计资料，按照35 m预制混凝土箱梁的实际尺寸建立有限元模型[2]。箱梁静载有限元分析的加载方式，采取在箱梁宽度方向一半位置、长度方向上l/3处和2l/3处两点加相同数值的集中荷载。设计要求箱梁静载试验加载控制值为设计弯矩的90%，即5 007.8 kN·m。

2.2箱梁静载试验有限元分析结果

经计算分析，当集中荷载值加载到最大级别429.24 kN时，跨中最大弯矩为5 007.8 kN·m，如图2所示，此时跨中最大挠度为30.5 mm。跨中

箱梁跨中最大弯矩截面特征点位置如图3所示，跨中截面特征点应力有限元分析结果如表1所列。

图1　35 m预应力混凝土箱梁断面图Fig.1　Cross-section of 35 m prestressed concrete box girder

表1　跨中截面特征点应力Table 1　Stress at characteristic points at mid-span cross-section MPa

图2　35 m预制混凝土箱梁静载试验弯矩有限元分析结果Fig.2　Results of finite element analysis of bending of a 35 m precast concrete box girder under static loading test

图3　箱梁跨中截面应力点Fig.3　Stress points at mid-span cross-section of box girder

3　35 m预制混凝土箱梁静载试验

3.1测试截面及测点布置

1）箱梁应变测点布置

本次试验应变测点布置在跨中截面。在跨中截面两侧沿梁高各布置5个应变测点，采用表面钢弦式传感器。应变测点布置与图3相同。

2）箱梁挠度测点布置

为测试在静载试验过程中箱梁的挠度变形，在箱梁两端支点位置、跨中截面位置、1/4截面位置和3/4截面位置两侧均设置挠度测点，采用百分表测试各点的挠度值，如图4所示。

图4　集中加载及挠度测点布置示意图Fig.4　Schematic layout of measuring points for concentrated loads and deflection

3.2加载方式

在实际试验过程中，采用千斤顶在两点分级加载，加载位置与有限元分析计算一致，如图4所示，每个千斤顶上下面分别垫40 cm×40 cm× 2 cm钢板。

试验最大加荷值与有限元计算相同，即P= 429.24 kN。

3.3加载分级

为保证试验过程箱梁结构的安全并消除非弹性变形，整个加载过程共分为两个阶段进行。

1）预加载阶段

预加载阶段共分2级：0→0.4P→0.7P→0。

2）试验阶段

试验阶段荷载共分5级：0→0.2P→0.4P→0.6P→0.8P→P→0.8P→0.6P→0.4P→0.2P→0，即5级荷载分别为 85.8 kN、171.1 kN、257.5 kN、343.4 kN、429.2 kN。

每级加载完成后，持续15 min，在5 min、10 min、15 min时量测各截面的挠度和应变；在荷载标准值作用下，持续30 min，在5 min、10 min、15 min、30 min时量测各截面的位移。每级卸载完成后，持续15 min，在5 min、10 min、15 min时量测各截面的的挠度和应变。在全部荷载卸载后的45 min时间内，在5 min、10 min、15 min、30 min、45 min时，量测挠度和应变残余值。

3）中止加载条件

①受拉主钢筋的受拉应变达到0.01；②受拉主钢筋拉断；③受拉主钢筋处最大垂直裂缝宽度达到1.5 mm；④挠度达到跨度的1/600[3]，即58.3 mm；⑤受压区混凝土压坏。

4　试验结果分析

4.1挠度测试

将跨中截面左右两侧挠度实测值平均，得跨中挠度实测值与荷载的关系如图5所示。

图5　箱梁跨中挠度-荷载曲线图Fig.5　Relationship between deflection and loading at mid-span of box girder

由图5可以看出：

1）箱梁跨中挠度与各级荷载之间为线性关系，且线性关系良好。

2）卸载后的残余挠度为1.1 mm，相对残余挠度量为4.8%，符合JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》[4]关于“主要控制测点的相对残余变位不大于20%”的要求，说明箱梁结构整体处于弹性工作状态。

3）实测箱梁跨中挠度最大值为22.8 mm，小于理论计算值的30.5 mm；挠度校验系数为0.75，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》[4]中关于“挠度校验系数不大于1”的要求。

4）根据箱梁跨中最大挠度实测值和箱梁跨径，计算挠跨比为1/1 535，符合规范要求。

4.2应变测试

将箱梁两侧对应的应变测点实测值取平均，以消除斜弯曲对应变测试数据的影响，得跨中截面实测应变值沿截面高度的分布如图6所示。

图6　跨中截面实测应变沿截面高度分布线图Fig.6　Measured strain along depth of cross-section at mid-span

由图6可以看出，箱梁跨中截面应变沿截面高度呈良好的线性分布，说明截面变形符合平截面假设，梁的实测中性轴高度为119.1 cm，与有限元仿真计算值118.6 cm非常接近。在试验加载到最大级别荷载时，实测箱梁跨中截面应变最大值为106×10-6ε，应力理论值为9.5 MPa，经换算后应变值为275×10-6ε，应变校验系数为0.39，说明箱梁实际工作状况要好于理论状况。同时，在最大荷载作用下，箱梁下边缘最大应变处未发现任何受力变形裂缝，说明箱梁预应力满足受力要求。应变最大值点卸载后残余应变仅为3×10-6ε，相对残余应变为2.8%，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》关于相对残余应变不大于20%的规定，说明箱梁截面变形处于弹性工作状态。本次箱梁静载试验主要技术数据汇总如表2。

表2　箱梁静载试验主要技术数据汇总Table 2　Summary of main technical parameters for static loading tests for box girder

5　结语

通过本次对于35 m预应力混凝土箱梁静载试验研究，可以得到如下结论：

1）箱梁的各测点实测数据分布与仿真计算较为吻合，校验系数满足试验规程规定，箱梁的实际状况好于理论状况，相对残余挠度和应变满足试验规程要求，箱梁符合弹性工作状态。

2）箱梁的受力性能和正常使用状态承载力满足设计荷载要求。

3）箱梁静载试验有限元模拟为现场静载试验提供了理论依据支撑，并据此优化了试验方案，提高了静载试验效率与试验的准确性。

[1]杜建华.公路与桥梁试验检测[M].北京：中国电力出版社，2009：192-193.

DU Jian-hua.Testing and inspection of roads and bridges[M]. Beijing:China Electric Power Press,2009:192-193.

[2]刘美兰.Midas Civil在桥梁结构分析中的应用[M].北京：人民交通出版社，2012：14-50.

LIU Mei-lan.Midas Civil in analysis of bridge structure[M]Beijing:China Communications Press,2012:14-50.

[3]JTG D 60—2015，公路桥涵设计通用规范[S].

JTG D 60—2015,General code for design of highway bridges and culverts[S].

[4]JTG/T J 21—2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

JTG/T J 21—2011,Specification for inspection and evaluation of load-bearing capacity of highway bridges[S].

Evaluation of bearing capacity of 35 m precast concrete box girders

ZHU De-hua,ZHAO Peng,WANG Xin-gang*
（CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

After a prestressed concrete box girder is finished,it is required to test its construction quality and to evaluate its bearing capacity to meet the design requirements.Based on the finite element analysis of the static loads of the 35 m precast concrete box and combining with the field data of static loading tests,the bearing capacity of box girders is analyzed and evaluated.The evaluation results show that the bearing capacity of the precast concrete box girder meets the design requirements and has a certain safety reserve.

concrete box girder；bearing capacity；evaluation

U446

A

2095-7874（2016）08-0043-04

10.7640/zggwjs201608010

2016-05-03

朱德华（1980— ），男，山东临沂人，硕士，高级工程师，主要从事水工结构及基桩检测研究工作。*通讯作者：王新刚，E-mail：wxg58@126.com