预制PC小箱梁单梁荷载试验研究

曾 勇，邱 周，敖付勇，魏 星，肖光烈，李 强

(1.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆市铁路(集团)有限公司，重庆 401120；3.中交第二航务工程局有限公司投资事业部，重庆 400074；4.重庆市永川区公路服务中心，重庆 402160；5.中冶建工集团有限公司，重庆 400084)

随着经济发展，社会对交通运输行业的需求增大，桥梁梁体现浇已经无法满足桥梁施工进度的要求。随着桥梁建设技术的不断发展，越来越多的桥梁构件实现了预制化施工。小箱梁的装配式安装具有专业技术性强、施工速度快、产品质量高、总体投资少等特点[1-3]。施工单位按照需求进行订制，工厂根据施工单位的要求按照时间、规格和数量保质保量地生产并运送至施工场地，且小箱梁的工厂化预制不受场地和气候等外部因素的影响，成本也低于现场浇筑[4-5]。但预制梁体的质量是否达到设计要求，则需要经过荷载试验进行检验。通过荷载试验，可以检测预制小箱梁的施工质量和受力性能，从而对桥梁梁体的性能进行有效评估，检验预制安装梁体的可靠性。

为了评估单梁的承载力，需要对单个小箱形梁进行静载试验、有限元分析和理论计算。刘钰杰通过静荷载试验与Midas Civil建模分析，得出有限元计算值与现场实测值变化曲线吻合、计算结果接近，有限元模型可以用于小箱梁结构力学性能分析的结论[1]；苏春华在进行主梁受力性能分析时发现，如果考虑桥面铺装的影响，其结果更加接近荷载试验的实测结果，与不考虑其影响时相比，主梁的计算应力、挠度分别降低20%、35%[2]；马占凯通过分析研究认为计算模式对于小箱梁桥校验系数有显著影响[3]。

通过有限元分析并与荷载测试结果进行比较，能够判断荷载测试数据是否正确[6]。内力的等效原理可以应用于桥面铺装荷载，使静载试验结果更接近真实状态。

1 工程概况

某大桥跨径组合为5×20 m装配式先简支后连续预应力混凝土箱梁，单幅桥横向布置均为2×0.5 m+11.25 m，桥梁横向布置4片箱梁，设计荷载等级为公路Ι级荷载，主梁由C50混凝土浇筑构成。箱梁截面图见图1。

图1 端跨边梁横断面

通过对预制小箱梁单梁进行静载试验，测定小箱梁各控制截面的应力、挠度与裂缝等各项指标，从而确定梁体的强度、刚度和抗裂性能等是否满足设计要求。小箱梁现场图见图2。

图2 实桥小箱梁梁体图

2 静载试验

2.1 内力等效分析

根据试验箱梁的实际安装位置，以试验箱梁在正常使用状态下跨中截面最大弯矩作为试验加载的依据，按照裸梁跨中截面下缘混凝土应力增量等效的原则进行主梁跨中抗弯试验。箱梁端跨边梁跨中内力等效计算结果见表1。

表1 20 m箱梁端跨边梁的跨中内力等效计算结果

2.2 有限元模型分析

根据设计图，使用有限元分析软件Midas Civil进行梁的弹性分析。计算模型见图3。

图3 有限元模型图

2.3 测试截面及测点布置

根据小箱梁的结构特点，在试验箱梁上布置2个应变(应力)测试截面和5个挠度测试截面。在混凝土表面布置了22个应变测量点，并且通过转换测得的应变值和混凝土的弹性模量来获得应力值。使用应变片和应变仪测量应变值。在L/4，L/2和(3/4)L区域分别布置了两个挠曲测量点，在支点截面上分别布置了一个挠曲测量点。使用电子百分表测试偏转点。测试截面位置以及截面测点布置见图4。

图4 测试截面位置

控制截面应变和挠度测点见图5～图8；应变片及百分表现场布置图见图9。

图5 L/2截面挠度、J1截面应变测点布置示意图

图6 L/4截面挠度、J2截面应变测点布置示意图

图7 3L/4截面挠度测点布置示意图

图8 支点截面挠度测点布置示意图

图9 应变片与百分表安装

图中“”标记表示应变测量点在箱梁的表面布置位置，“×2”表示在此点布置2个测量点，而在其他的位置布置1个测量点，且其布置应沿顺桥方向。选用相同阻值应变片，粘贴时应对箱梁贴片部位进行表面处理，确保应变片粘贴牢固、定位准确、满足绝缘要求、防潮(水)防损伤措施得当；“↑ ”为挠度测点。

在加载前后分别观察主梁有无裂缝存在，若在荷载加载之前主梁存在裂缝，则观察裂缝在试验加载过程中的发展情况。

2.4 试验加载

2.4.1 加载方式

根据测试现场的条件，将每卷2 t的钢筋用作均匀分配的荷载，并分别计算和施加每个试验箱梁所需荷载。根据跨中截面内力等效的原理，试验荷载加载图如图10所示。

图10 试验加载图式

正式加载前通过对各试验加载截面以满载的1/3～2/3进行预载来消除非弹性变形。装载分类由装载重量的数量和质量决定，分为2～4个阶段。加载分级具体分为零载、40%、70%、100%控制荷载。根据主梁加载前的挠度和应变实测数据，调整载荷分类，以保证其载荷安全。试验加载程序见表2。

表2 试验加载程序表

荷载试验加载现场图见图11。

图11 荷载试验加载图

为保证加载安全，试验过程中随时将关键部位的实测值与计算值、规范允许值进行比较，及时掌握桥梁结构的工作状态，对加载过程进行控制[7]。

2.4.2 加载效率

通过等效换算设计标准活荷载产生的最不利内力来获得试验荷载。等效转换应满足0.85～1.05的负载测试效率ηq。表3显示了此测试的负载效率。

表3 试验荷载效率

3 实验结果分析

3.1 应变试验结果

各试验荷载作用下，各试验截面实测测点应变见表4。

表4 试验荷载作用下测试截面应变及校验系数

3.2 挠度试验结果

测试截面在试验荷载作用下各测点的挠度及校验系数见表5。

表5 试验荷载作用下测点挠度及校验系数

根据各测点所测得实测挠度值与计算得到理论值绘图进行对比，所绘制图形见图12。

图12 实测挠度值与理论挠度值对比图

从图12数据可见，实测挠度值均小于理论计算值，满足规范要求。

3.3 裂缝观测结果

在测试加载之前，在单梁的每个控制截面中均未发现裂缝。在加载过程中和卸载后，梁的控制截面均未发现裂缝。

4 结论

(1)本次荷载试验控制截面加载测试的加载效率为0.98，满足0.85～1.05的规范要求；

(2)在荷载作用下，各试验段测量点的应变值试验系数在0.6～0.9。每个控制截面测量点处的最大相对残余应变为-16.5%，小于20%，表明小箱梁的承载能力满足规范要求；

(3)在每个荷载作用下，单梁的每个控制截面所测挠度小于计算值，挠度结果的校验系数在0.7～0.8，卸载后的相对残余变形小于试验规范的极限值，最大值为13.3%；

(4)荷载试验前后小箱梁控制截面均无裂缝产生，静力荷载试验结果表明，该桥裸梁静力性能满足使用要求。