何振伟
义乌市交通设计有限公司 322000
摘要：预应力混凝土简支梁因其具有承载能力好、刚度大、整体稳定性强、受力明确等各项性能优点,且有着便于养护管理，后期维修加固简单有效等特点，被普遍应用于公路、市政等行业桥梁的建设中。近几年我国的交通行业发展越来越快,预应力混凝土简支梁桥逐渐被大量应用于桥梁建设。为正确判定桥梁质量是否符合承载能力、抗裂性能等设计标准,本文对预应力混凝土简支梁结构进行承载能力试验研究。
关键词：预应力；混凝土；简支梁；承载能力
1 前言
预应力混凝土结构从上个世纪30年代发展至今，被广泛应用于土木工程和建筑结构中，并且凭借其优越的受力特性发挥着独特的作用。随着预应力混凝土结构大量应用于各项基础建设行业，特别是桥梁建设上，预应力混凝土结构在使用中出现的各种病害也逐渐受到了关注，预应力混凝土结构的监控工作逐渐成为一项重要工作，对于预应力混凝土构件的承载能力的长期发展变化和工程的安全性预测有着至关重要的意义。预应力混凝土结构作为一种混凝土与钢绞线两种不同材料协同受力的特殊结构，在测定预应力筋受力过程中，特别是测定预应力损失时，存在着一定的难度，也有很多学者通过研究预应力筋的受力过程，提出了一些新型的检测方法。然而，预应力筋受力和预应力损失产生影响的因素很多，至今尚未形成一套直接、有效且实用的测定方法能够突破预应力筋受力的检测难题。目前，通过计算机有限元模型模拟预应力混凝土梁中预应力筋与混凝土截面的受力关系是目前最为合理有效的方法之一。所以，本文对预应力混凝土简支梁的承载能力进行试验，并根据模型试验分析预应力混凝土简支梁的受力特点，研究模拟预应力混凝土简支梁整个工作过程中应力的发展和变化。
2 工程概述
某桥梁全长162m，其中上部结构全长为150m，全桥共7跨，其中第4跨跨径为30米，其余6跨均为20米，桥梁全宽9米，车行道宽7米，两侧人行道各宽1米。桥梁上部结构为预应力混凝土简支小箱梁结构，跨径20米预应力混凝土简支小箱梁梁高为1米，跨径30米预应力混凝土简支小箱梁梁高为1.6米。小箱梁混凝土强度是C50，全桥横向由3片小箱梁拼接而成，边梁的中心偏距为2.80米，桥梁每跨两端设置端横梁，不设中横梁或横隔板。在桥梁上部结构施工过程中，先预制吊装预制小箱梁，然后浇筑梁间湿接缝与端横梁，最后进行桥面铺装、人行道及栏杆等桥面系施工。桥梁下部结构采用重力式桥台、双柱式桥墩，扩大基础。桥面铺装采用8cm厚的C50混凝土现浇层，加上10cm厚的沥青混凝土铺装层，混凝土现浇层与沥青铺装层之间设置3mm厚三涂FYT-1改进型防水层。桥梁试验荷载标准采用汽-20，挂-100，最高试验通行速度是30km/h，桥梁布置示意图如图1所示。
图1 桥梁布置示意图(单位:cm)
3试验研究
桥梁试验主要分为静载试验、动载试验和模型承载能力检算三个部分。桥梁每跨均为简支梁，根据桥梁结构特点和梁体开裂情况，此次承载能力试验选取第3跨作为试对象，因为第3跨裂缝相对较多，最具有代表性。实验项目一是静载试验，检测桥梁的变形情况；二是动载试验，结合梁体的自振频率，分析桥体动力特性; 三是通过计算机有限元软件对桥跨进行模型的建立，结合动静载试验结果分析桥梁的受力性能，其中由于中梁腹板斜裂缝较多，将其作为重点研究对象，分析计算开裂处的应力幅值和斜截面承载能力大小。
3.1静载试验
静载试验是检验桥梁结构在试验荷载作用下桥梁工作状态与运营性能的有效手段。通过对桥跨结构进行静荷载加载，测量试验荷载作用下主梁控制截面的应变（应力）和挠度等指标是否满足规范要求。
本次静载试验根据桥梁受力特点，分别设置跨中截面S1、距支座中心h/2（h为板梁高）处截面S2，共2个测试截面，各截面应变测点布置在小箱梁斜腹板中部位置、挠度测点布置在小箱梁梁底板中部位置。静载试验采用2辆重约400kN的三轴载重货车作为试验荷载。
静载试验主要测试桥梁的挠度、混凝土应变和裂缝宽度。
3.2 动载试验
桥梁在运营过程中过大的振动，一方面会引起乘客或行人的不舒适感，另一方面会带来人们心理上的不安全感。桥梁的自振频率处在某些范围时，很容易由外荷载（包括行驶的车辆、行人、地震、风载）引起共振。桥梁结构的动力性能是评价桥梁运营状态和结构性能的重要指标之一。通过动载试验对桥梁的动力响应规律和动态指标进行测试，依据相关评定规程，对桥梁的总体结构性能进行评价，本次试验采用无障碍行车试验。
在桥面无任何障碍的情况下，用一辆载重汽车（总重约400kN）以10km/h、20km/h、30km/h的速度匀速驶过桥跨结构，测定桥梁在运行车辆荷载作用下的动力反应。
动载试验主要测试桥梁的自振频率、冲击系数。
3.3 承载能力检算
检算模型采用Midas Civil 2020进行梁格法建模，建立单跨20米空间梁单元梁格模型进行结构静力计算，主梁板采用梁单元模拟，主梁间由端横梁和虚拟横梁连接。参数取值参照设计取值，混凝土容重26kN/m3。活载效应计算采用双向双车道、汽车-20级与挂-100级计算。
由于桥梁在施工过程中的施工工艺或使用过程中材料的老化等原因的影响，桥梁混凝土会随着时间的推移，其强度、弹性模量等材料参数会逐渐降低，使预应力混凝土小箱梁的截面强度以及预应力筋与截面混凝土之间协同受力情况发生变化。考虑混凝土材料的强度变化和桥梁的使用年限，对模型中混凝土材料的强度进行折减，以便得到更加符合实际情况的试验结果。
通过试验结果和模型理论检算结果进行对比并参考相关规范进行分析能够得出较为准确可靠的试验结论。
3.4 试验结论
静载试验结果: 关键测点实测弹性挠度值最大为-4.8mm，小于理论计算值-7.89mm（对应挠度校验系数为0.61），表明桥梁实际刚度满足规范要求；挠度校验系数基本在0.35～0.61之间，试验段桥梁卸载后最大相对残余变位为12%，小于20%，满足规范要求。实测弹性应变值最大为115.5με，小于理论计算值169.9με（对应变校验系数为0.68），表明结构受力性能良好；在各静载试验工况下，应变校验系数基本在0.49～0.68之间，试验段桥梁卸载后最大相对残余应变为0.02%，小于20%，满足规范要求。测试结果算得该测点裂缝宽度在满级加载时宽度增加0.03mm，总宽0.13mm，裂缝扩展宽度小于规范规定，卸载后裂缝闭合宽度小于扩展宽度的2/3。
动载试验结果：实测自振频率大于理论计算频率，且比值为1.27，按照规范评为标度1，说明测试桥梁结构性能良好。试验车辆驶过桥面时引起的跨中挠度冲击系数为0.048～0.159，均低于按规范所计算的冲击系数0.348，说明该桥抗冲击性能较好。
承载能力检算：根据承载能力检算判式，主梁跨中截面弯矩最不利组合值及截面极限抵抗矩计算结果表明目前该桥主梁跨中正截面抗弯强度能够满足汽车-20级与挂-100级荷载等级的安全承载要求。本次检算选取距支座中心h/2（h为板梁高）处斜截面进行抗剪承载能力检算，根据承载能力检算判式，主梁检算截面最大剪力组合值及斜截面极限抗剪强度比较，表明混凝土折减后截面不能满足斜截面抗剪强度要求。
4 桥梁裂缝原因分析
对预应力混凝土小箱梁斜截面而言，在汽车荷载作用下，梁体截面中性轴以下部分逐渐出现消压现象，而混凝土中性轴上部结构的正压应力σ逐步增大，斜腹板位置主拉应力σtp增大，超过拉压应力状态下的混凝土强度时，就会有斜裂缝产生。σtp与梁轴线夹角理论值一般超过45度，结合桥梁检测数据，梁体斜裂缝和梁轴线夹角是35～42度，与理论值基本符合，桥梁的最大裂缝宽度位于混凝土中性轴偏上部位，符合理论计算的超载开裂情况。由此可得出结论，此桥斜裂缝出现的原因主要由于超载车辆过桥和混凝土强度减弱等原因导致的。
5结论
综上所述，即使梁体的正截面承载能力和刚度基本符合设计要求，也有可能出现斜截面承载能力不足得现象。对试验桥梁而言，因为梁体斜截面抗剪承载能力不足，导致小箱梁腹板开裂，使梁体存在安全隐患。在桥梁的设计施工中应采取局部钢筋加强等有效措施增加斜截面抗剪承载能力，避免混凝土梁腹板斜裂缝的产生，提高桥梁使用的安全性。
参考文献
［1］中华人民共和国交通部．JTG/T H21—2011 公路桥梁技术状况评定标准［S］．北京:人民交通出版社，2011．
［2］中华人民共和国交通部．JTG/T J21—2011 公路桥梁承载能力检测评定规程［S］．北京:人民交通出版社，2011．
［3］张庆芳.混凝土结构收缩裂缝的控制措施研究[J].混凝土, 2014(3):59-63.
［4］王云阳.基于开裂试验的混凝土梁结构性能研究[D].武汉:武汉理工大学, 2012.