公路桥梁预应力空心板梁静载试验研究

陈小英

（山西晋通公路工程监理有限公司，山西 晋城 048000）

预应力空心板梁构造简单、施工工艺简单，在小跨径桥梁施工中得到了广泛应用。通常，预应力空心板梁都采用预制后运送到施工现场架设的方式施工，不仅可以保证施工质量，还可以节约施工成本。为了保证预应力空心板梁的施工质量，架设施工前开展单梁静载试验，分析评定梁体施工质量，进而进行桥梁承载力评定。依托高速公路大桥预应力空心板梁施工项目，在施工过程中开展单梁静载试验，收集数据分析梁体应力、挠度和裂缝检测结果，作为梁体施工质量的判断依据。

1 公路桥梁预应力空心板静载试验承载力评定

静载试验是评定桥梁承载力最常用的方法，在国内外桥梁检测中得到了广泛的应用[1]。调查确定桥梁预应力空心板外观尺寸、结构组成，通过施加试验性荷载，并参照试验空心板截面应力、位移（挠度）、裂缝等结构性能参数，分析试验数据确定桥梁在运营使用过程中的工作状态，确定桥梁结构的强度和稳定性，对桥梁承载能力进行评定。

根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/TJ21-01—2015）中的相关规定，采用静载试验对桥梁承载力进行评定应从以下几个方面进行分析。

1.1 测点校验系数η

测点校验系数η是评定桥梁结构工作状态和桥梁承载力的重要指标。通过静载试验测量规定荷载作用下桥梁结构的弹性位移（或应变），实际测量值与理论计算值的比值即为校验系数[2]，计算公式如式（1）：

式中：Se为规定试验荷载作用下桥梁结构的弹性位移（或应变）的实际测量值；Ss为规定试验荷载作用下桥梁结构的弹性位移（或应变）的理论计算值。

测点校验系数η越小，说明桥梁结构越安全。当η≤1时，说明理论计算值偏安全，桥梁结构安全，处于弹性工作状态，且工作状态良好。然而，测点校验系数η过大或过小对桥梁结构设计也是不利的[3]。当测点校验系数η过大时，桥梁各组成结构的强度不足，各组成部分连接性能较差，可能造成结构刚度不足；当测点校验系数η过小时，桥梁各组成结构的强度和弹性模量均较大，预应力空心板梁与铺装层、人行道等共同受力，计算方法或计算图式过于偏安全等。对预应力空心板梁桥，应变（或应力）校验系数取值范围为0.6～0.9，挠度校验系数取值范围为0.7～1.0。

1.2 实际测量值与理论计算值的关系曲线

桥梁结构的弹性位移（或应变）的理论计算值存在一定的线性关系，实际测量值也应该具有一定的线性关系，并与理论计算值成正比。如实际测量值关系曲线接近一条直线，说明桥梁结构处于良好的弹性工作状态。

1.3 测点的相对残余位移（或应变）ΔSp

式中：St为总位移（或应变）；Sp为残余位移（或应变）。

桥梁试验测点在荷载作用下，ΔSp计算值越小，说明桥梁结构的工作状态越接近弹性工作状态[4]。按照规范要求，ΔSp计算值应小于20%，超出规定值时应查明原因，如果是由于桥梁结构强度不足导致的，应在评定时适当降低桥梁承载力。

1.4 静载试验注意事项

在施工现场进行静载试验，应严格按照试验方案开展试验，从小到大进行加载。试验过程中对测点处的位移（或应变）进行记录，如发现局部有开裂情况，立即停止加载或卸载[5]。另外，终止试验的情况还包括以下几类：

a）测点位移（或应变）实际测量值超出检算控制值和规范规定值，应终止加载试验。

b）试验过程中发现表面裂缝的宽度超出规范允许缝宽，且不断增加，会降低结构使用寿命，应终止试验。

c）试验过程中墩台变位超限，且结构不稳定，应终止试验。

d）试验过程中出现其他破坏，会降低桥梁承载力，影响正常使用，应终止试验。

2 预应力空心板梁静载试验方案

2.1 依托项目概况

连霍高速公路王家岭大桥，设计采用6×20 m简支空心板梁桥。桥梁设计荷载等级为公路Ⅰ级，上部结构选用20 m后张法预应力钢筋混凝土空心板梁。桥梁下部结构采用双柱式桥墩台，桩基础为钻孔灌注桩。预应力空心板梁混凝土标号为C50，板高0.95 m。墩台混凝土标号为C30，钻孔灌注桩基础为C25混凝土，预应力钢绞线标准强度为1 860 MPa，橡胶支座。

为了检验预应力空心板梁设计与施工质量，确定梁体的工作状态，检验桥梁承载力，对空心板梁开展静载试验。在试验过程中记录各测点在规定试验荷载作用下桥梁结构的应力和挠度，与理论计算值对比分析，为确定桥梁结构承载力提供数据参考，进而修正设计，确保桥梁安全使用。

2.2 确定试验荷载

由于单梁还没有完成施工，桥梁铺装层、护栏等结构荷载采用设计荷载进行计算。本项目20 m预应力空心板静载试验荷载根据跨中截面弯矩等效的原则确定，将桥梁运行过程中设计荷载与二期恒载作为控制荷载，将换算后的集中荷载或均布荷载作用在单梁上，确定试验荷载。通过分级加载，测量空心板梁结构的应力和挠度，分析确定预制梁施工质量，进而进行承载力评定。选取中梁试验结果进行分析，静载试验荷载数据如表1所示。

表1 静载试验荷载数据表

2.3 测点布置

2.3.1 应力测点布置

通过对空心板梁进行分析计算，应力测量断面设置在板梁L/2截面、L/4截面，应力测点在梁体底部对称设置2个测点，在梁体两侧分别对称设置3个测点，测点和断面布置如图1所示。

图1 应力和挠度测点布置断面图

2.3.2 挠度测点布置

挠度测量断面设置在板梁L/2截面、L/4截面，挠度测点为板梁两侧支座位置，每个测量断面和测点处分别在梁体底部对称设置2个测点，测点和断面布置如图1所示。

2.4 静载试验

图2 静载试验加载装置示意图

图3 静载试验现场加载试验图

本项目空心板静载试验采用液压千斤顶加载，并利用配载梁提供反力，加载装置如图2和图3所示。为了保证试验安全，静载试验分5级加载，加载效率如表1所示，分两级卸载，分别为-50%、-100%。为了消除塑性变形，正式进行试验前先进行预压，预压加载量为总加载荷载的80%。加载后梁体内部的变形和内力需要经过一段时间方可稳定，稳定时间不得少于5 min，因此每次加载后应待测量仪器读数稳定后方可读数。每级加载后采集数据，记录应力、挠度实际测量值，同时对梁体表面的裂缝出现与发展情况进行观察。

3 静载试验结果分析

本项目试验梁选取5-3中梁，静载试验分级加载过程中对跨中截面应力、挠度进行检测，并对梁体表面裂缝进行观测。收集数据，对试验结果进行分析，评价预应力空心板施工质量和桥梁承载力。

3.1 跨中截面应力试验结果分析

跨中截面受力选取本项目5-3中梁跨中截面梁底混凝土应力静载试验检测结果作为研究对象，检测数据如表2和表3所示，梁底混凝土应力测试曲线如图4所示。

表2 试验梁5-3跨中截面梁底混凝土应力检测值

表3 试验梁5-3跨中截面残余应变分析结果

图4 试验梁5-3跨中截面梁底混凝土应力测试曲线

分析表2、表3数据和图4曲线，5-3中梁跨中截面梁底混凝土应力实际测量值均小于理论计算值，校验系数η分布范围为0.79～0.82，满足规范要求，说明梁体具有足够的安全储备。卸载后相对残余位移均小于20%，应力检测结果说明梁体变形应力满足规范要求。

3.2 跨中截面挠度试验结果分析

试验梁5-3跨中截面梁底混凝土挠度检测结果如表4所示，测试曲线如图5所示。

表4 试验梁5-3跨中截面梁底混凝土挠度检测结果

图5 试验梁5-3跨中截面梁底混凝土挠度测试曲线

分析表4数据和图5测试曲线，试验梁5-3跨中截面梁底混凝土挠度实际测量值均小于理论计算值，校验系数η分布范围为0.85～0.88，说明梁体结构刚度满足设计要求。结合表3数据，卸载后相对残余位移均小于20%，挠度检测结果说明梁体挠度变形满足规范要求。

3.3 裂缝观察

在对试验梁5-3进行静力加载试验过程中，在每一次加载后对梁体外观进行观察。未发现梁体表面出现开裂，也没有出现其他异常情况，说明梁体结构稳定，满足抗裂性要求。梁体总体结构未出现肉眼可见的结构裂缝，说明预应力空心板满足A类构件的要求。

3.4 综合分析

通过对试验梁5-3跨中截面应力、挠度、残余应力、残余挠度等指标的检测结果进行统计分析。结合上述应力、挠度检测结果，均满足规范要求。静载试验完成后，卸载后残余应力为0.68 MPa，跨中截面应力实际检测最大值为3.71 MPa，计算二者比值S'PY=0.68/3.71=0.183，满足规范要求的S'PY≤0.20。卸载后跨中截面残余挠度为-1.39 mm，跨中截面挠度实际检测最大值为-8.71 mm，计算二者比值S'PR=（-1.39）/（-8.71）=0.160，满足规范要求的S'PR≤0.20。综上所述，试验梁5-3静载试验结果表明，梁体强度、刚度、抗裂性满足规范要求。

4 结语

通过对王家岭大桥预应力空心板梁开展静载试验，采集各分级加载阶段测点应力、挠度，并观察梁体表面裂缝，进行数据分析，得出以下结论：

a）试验梁应力实际测量值均小于理论计算值，检验系数均满足规范要求，卸载后相对残余位移均小于20%，说明梁体变形应力满足规范要求。

b）试验梁挠度实际测量值均小于理论计算值，检验系数满足规范要求，且卸载后相对残余位移均小于20%，说明梁体挠度变形满足规范要求。

c）静载试验各阶段未发现梁体表面出现裂缝，结合应力和挠度的监测结果，说明梁体施工质量满足规范要求。