服役15年的先张法预应力混凝土空心板破坏性静载试验研究

尹银蓉，李 睿，付 彦，唐正光

(1.昆明理工大学 建筑工程学院，昆明 云南 650500；2.玉溪公路局，玉溪 云南 653100)

0 引 言

桥梁作为公路交通系统的咽喉工程，在国民经济和人民生活中发挥着重要作用[1-3]。桥梁在服役期间，由于外界环境和超载等问题的影响，结构往往会受到不同程度的损伤，加之混凝土材料本身性能的退化、钢筋的锈蚀、钢绞线的松弛等各种因素，导致桥梁的安全性和耐久性下降。掌握服役桥梁的技术状况、受力性能和实际承载能力，保证桥梁结构的安全性和耐久性，一直是国内外学术界和工程界关注的热点问题[4-6]。

预应力混凝土空心板桥是中国中小跨度桥梁广泛采用的结构形式之一，目前主要是采用荷载试验的方法对其实际承载能力进行评定，但常规荷载试验的加载力水平一般都局限于正常使用荷载范围之内,桥梁弹塑性阶段的受力特性无从得知[7-11]。本文对一座已服役15年的预应力空心板进行单梁加载试验，以研究服役多年的预应力空心板在试验荷载作用下的受力性能和实际承载能力，验证空心板的可靠性，为以后的桥梁管养提供基础数据。

1 工程概况

试验先张法预应力混凝土空心板是从云南省玉溪市七公里桥上拆除下来的，该桥已建成通车15年，设计荷载等级为汽车-20级、挂车-100级。该桥上部结构采用3 m×20 m预应力混凝土空心板，混凝土等级为C40，板高0.95 m，宽0.99 m。原桥部分空心板存在板底纵向开裂、底板空洞、主筋及钢绞线外露等病害，故原桥的总体技术状况等级被评为4类，取一片技术状况相对较好的空心板进行试验。

2 结构计算

2.1 结构模型

空心板结构采用有限元软件进行理论计算，结构模型如图1所示。

图1 单片空心板计算模型

2.2 试验荷载效率和加载力水平

本次空心板破坏性试验按5个受力节点划分，中间适当分级。根据原设计荷载要求，计算确定该桥在设计荷载等级为汽车-20级、挂车-100时的跨中最大正弯矩，并以此作为常规静载试验的试验荷载加载量的控制依据，常规静载试验加载力(设计荷载)的试验荷载效率取ηq=1.0，则加载力Ⅰ为1.0倍挂车。

表1 各级加载力水平下的跨中弯矩值 kN·m

3 试验方案

首先进行常规静载试验，再逐级增加荷载，直至受拉区混凝土开裂，桥梁破损。对该空心板在试验各级加载力下的应力、挠度历程和裂缝发展的全过程进行观测和分析。

3.1 测试内容

试验主要测试内容包括：空心板关键截面在各级试验荷载下的应力、挠度和裂缝等。

3.2 测试断面及测点布置

试验选取空心板L/4、L/2、3L/4处的截面作为空心板的应力和挠度测试截面进行应变测点布设，如图2、3所示。

图2 应力测试截面应变测点布置

图3 挠度测试截面应变测点布置

3.3 试验加载方案

在正式试验之前对空心板实施预压(加载力为加载力Ⅰ的50%，以消除非弹性变形)；正式试验测试时，采用2个分离式液压千斤顶(110 t)同步均匀施加反作用力于空心板顶面，模拟分级加载的2个集中力，并按表2分级加载，加载试验模型如图4、5所示，试验平台现场照片如图6所示，液压千斤顶加载系统现场照片如图7所示。

图4 加载试验模型立面

图5 加载试验模型侧面

图6 试验平台现场照片

图7 液压千斤顶加载系统现场照片

表2 试验的各级加载量

4 试验结果及分析

4.1 裂缝观测及分析

空心板在(99.1 kN，117.2 kN]区段加载过程中，梁体表面开始出现可见裂缝，且在五级加载力(P1=P2=117.2 kN)下，跨中1.535 m长度范围出现5条自底缘往上延伸至腹板下部的对称竖向裂缝，H为15～20.5 cm，δmax为0.02～0.04 mm。在(117.2 kN，280 kN]区段加载过程中，腹板裂缝分布范围、数量、长度、宽度迅速发展，裂缝分布于空心板跨中5.65 m长度范围，五级加载力下的5条裂缝长度向上延伸15～36.5 cm，缝宽增大0.12～0.14 mm，变H为30.5～52 cm，δmax为0.16～0.18 mm；新增竖向裂缝21条，H为10～54 cm，δmax为0.04～0.16 mm；新增斜向裂缝(裂缝上端往跨中方向倾斜)4条，H为61～79 cm，δmax为0.08～0.12 mm。

在加载过程中，空心板的跨中部位最先出现竖向裂缝，其部分裂缝是原有裂缝的扩展所致，大部分则是新产生的裂缝，且新裂缝的出现基本在原有裂缝位置开始逐渐向两边发展，与传统的裂缝发展的总体分布情况和趋势一致。由于此加载模型剪跨比较大，梁端主拉应力较小，故其裂缝形态表现为弯拉裂缝，试验过程中未出现剪切斜拉裂缝。

空心板设计理论开裂弯矩Mcr=1 516.4 kN·m(加载力Ⅲ)的加载力为P1=P2=117.2 kN(五级加载力)，经试验，空心板在加载力(99.1 kN，117.2 kN]区段加载过程中，梁体表面就开始出现可见裂缝，故将加载力下限99.1 kN对应的跨中试验弯矩MF=1 354.7 kN·m作为实测开裂弯矩，它是设计理论开裂弯矩的0.89倍，说明在理论极限荷载作用下，空心板实际抗裂性能不满足正常使用极限状态要求，这主要是由空心板在长时间服役过程中的混凝土累积损伤、混凝土材料性能的退化和预应力损失引起的，这种损伤降低了空心板在正常使用状态下的主梁刚度。

4.2 挠度历程分析

每级试验荷载作用下，主测截面板底实测挠度历程对比分析见图8。

图8 主测截面实测挠度历程对比分析

如图8(a)～(c)所示，空心板在整个试验过程中，L/4、L/2、3L/4处截面的挠度曲线变化趋势大致一致，在P1=P2∈(0 kN，51 kN]区段，挠度随着荷载等级升高而增大的趋势较小，随着荷载的继续增加，各截面挠度迅速增大，这一变化规律与试验测试挠度沿梁长分布(图8(d))一致，说明随着荷载等级的增加，空心板因结构刚度大幅度减小，挠度的增长速率加快，而空心板在长时间服役过程中的混凝土累积损伤和预应力损失导致其结构刚度下降明显。L/4和3L/4处截面实测挠度变化非对称，说明随着荷载等级的增加，沿梁长方向各截面刚度变化不均匀。

各截面挠度均在P1=P2∈(143.5 kN，180 kN]区段超出理论值，则当试验荷载不大于设计承载力对应的加载力时，各截面的实测挠度小于理论挠度，各截面挠度校验系数均未超过规范限值1。当跨中试验荷载加至最大时，梁体跨中下挠110.04 mm，最大挠度为计算跨度的1/181，满足判定结构达到极限破坏状态时弯曲挠度需达到跨度的1/50这一要求，表明在超过理论极限荷载的试验荷载下，试验空心板仍可继续工作，但此时已经不能满足正常使用的要求。

4.3 应力历程分析

每级试验荷载作用下，主测截面板底实测应力历程对比分析见图9。

图9 主测截面板底实测应力历程对比分析

空心板在整个试验过程中，L/4处截面下缘实测应力曲线与理论曲线大致一致，基本呈线性变化，如图9(a)和(c)所示。但3L/4处截面测点1在P1=P2∈(0 kN，99.1 kN]区段实测应力基本呈线性变化，在P1=P2∈(99.1 kN，117.2 kN]区段应力随着加载力的增大反而减小，在P1=P2∈(117.2 kN，280 kN]区段应力反弹增大；而测点2实测应力基本呈线性变化，但与理论应力值的差值随荷载的增加而增大，说明3L/4处截面受到空心板下缘开裂的影响，应力反常系裂缝间混凝土纤维回缩使得部分应力被释放所致，随着裂缝的不断出现和发展，下缘混凝土逐步退出工作，开裂区域测点应力保持在低应力水平。L/4和3L/4处截面下缘实测应力变化非对称，除因试验时受裂缝影响不同外，也因空心板在施工期间的制作误差或在服役期间不均匀承载，导致空心板截面变化，从而引起承载力不均衡。

如图9(b)，L/2处截面在P1=P2∈(0 kN，117.2 kN]区段下缘实测应力基本呈线性变化，均小于理论值，则当试验荷载不大于空心板开裂弯矩对应的加载力时，各截面的实测应力小于理论应力，各截面应力校验系数均未超过规范限值1。在P1=P2∈[143.5 kN，280 kN]区段“溢出”，即L/2截面下缘混凝土沿竖向被拉裂，导致应变片被拉坏。空心板正截面抗弯承载力设计值对应的加载力为P1=P2=143.5 kN，经试验，空心板在P1=P2∈(117.2 kN，143.5 kN]区段加载过程中，梁体跨中截面的实测应力大于理论应力，故将加载力下限117.2 kN作为实际抗弯承载力对应的加载力，是设计理论值的0.82倍。

4.4 承载能力分析

(1)为了分析试验空心板达到正常使用极限状态时的加载力，本试验根据试验结果，分别采用判定结构达到正常使用极限状态的3个准则[13]来分析：准则1，根据荷载-挠度曲线的拐点判断；准则2，由裂缝发展情况判断；准则3，根据荷载-挠度曲线，限制挠度取计算跨度的1/600。分析结果如表3所示。

表3 正常使用极限状态加载力 kN

从表3可得，不管是实测值还是理论值，由裂缝发展情况控制的加载力最小，因此试验空心板的正常使用极限状态由结构抗裂性控制。

(2)实测开裂弯矩是设计理论开裂弯矩的0.89倍，说明试验空心板抗裂性能不满足正常使用极限状态的设计要求。

(3)在最不利荷载组合(P1=P2=99.1 kN)作用下，空心板各测点挠度、应力校验系数未超出规范值1，实测挠度和应力与理论值符合较好，空心板受力状况无异常，满足空心板承载能力极限状态要求。

(4)当试验荷载还小于设计极限荷载对应的加载力时，空心板实测应力大于理论计算值，说明空心板实际承载力小于设计承载力，比值为0.82；当试验荷载加至最大时，跨中最大挠度为计算跨度的1/181，空心板还未达到极限破坏状态，说明在超过设计极限荷载的试验荷载下，试验空心板仍可继续工作，可看出在此加载阶段，梁体表现出很好的延性。

(5)空心板在P1=P2∈(0 kN，99.1 kN]区段处于弹性阶段，在P1、P2∈(99.1，280]kN区段处于弹塑性阶段。

5 结 语

本文通过对已服役15年的预应力混凝土空心板进行破坏性静载试验，观测并分析了应力、挠度和裂缝发展，主要得出以下结论。

(1)由于空心板在15年服役过程中的混凝土累积损伤、混凝土材料性能的退化和预应力损失，导致其在后续承载时结构刚度下降明显，结构抗裂性不能满足正常使用极限状态要求，空心板实际承载力小于设计承载力；但其在破损阶段却表现出了较好的延性特征，梁体在通过增大挠度协调截面受力的过程中表现出了良好的变形性能。

(2)由于空心板在施工期间的制作误差或在服役期间的不均匀承载和混凝土累积损伤，导致空心板截面变化，从而引起沿梁长方向各截面的承载力不均衡以及在加载过程中刚度变化不均匀。

(3)此类桥梁在后续加固计算时，考虑到桥梁实际受力性能的下降，应对桥梁的承载能力进行折减。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)计算，所得折减系数为0.77，试验所得折减系数为0.82，可见，试验结果与评定规程计算结果相比，评定规程相对保守安全。