既有钢筋混凝土装配式空心板梁实验测试分析.pdf

6 6 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年 1 1 月第 1 1 期 既有钢筋混凝土装配式空心板梁实验测试分析 刘 苗 ( 兰州交通 大学 ， 甘肃 兰州 7 3 7 0) 摘要： 对既有钢筋混凝土装配式空心板梁进行了挠度、 应力以及回弹量的测量， 测量值与实测值 比较， 该预应力钢筋混凝土空 心板梁质量合格， 可以在桥梁工程中正常使用。 关键 词 ： 空 心板梁 ； 挠 度 ； 应力 ； 回弹值 中图分类 号 ： U 4 4 6 文献标识 码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 6 6 0 3 1 结构简介 1 1 工 程概 况 跨度为 1 3 0 m装配式普通钢筋混凝土简支空 心板梁桥 ， 桥梁全宽 1 2 m， 车行道净宽 1 1 m， 两侧 安全带各宽 0 5 0 m。 横截面由七片宽 1 2 4 e m( 中板) 和两片宽 1 6 6 c m ( 边板 ) 的单孔预制空心板 通过约 2 0 c m的纵向混 凝 土铰缝粘接而成 ， 预制空心板高 6 0 e m。桥面设 2 双面排水坡 。 桥面铺装层为 1 0 e m厚防水混凝土和 5 c m厚 沥青混凝土 。 1 2 主要材料 预制梁 ： 4 0号混凝土 ； 受力钢筋 ： 级螺纹钢筋 ； 构造钢筋 ： I 级光面钢筋 。 1 3 存在的工程问题 在工程建设单位组织 的质量大检查 中 ，发现 该小桥工点存在如下问题 ：尽管混凝土试块强度 满足要求 ，但预制钢筋混凝 土梁 的混凝土 回弹值 偏低 ，且 由此推算 的梁体 混凝土强度不符合设计 要求 ， 因此 ， 对预制钢筋混凝土梁的整体混凝土强 度存在怀疑。 2 试验 目的 为确保 工程施工质量 、同时也减少不必要 的 经济损失 ， 受施工单位委托 ， 在成品预应力钢筋混 凝土空心板梁 中随机抽取一片板梁进行静荷载试 验 ，检测与分 析受检预应力钢筋混凝土空心板梁 的受力 、 变形 、 裂纹开展 与分布特性。 通过静荷载试验 ， 达到如下的工程检测 目的： ( 1 ) 检测鉴定预制板梁的实际承载能力和正常 使用性能； 收稿 日期 ： 2 0 1 3 一 O 7 2 9 作者简 介 ： 刘苗 ( 1 9 7 5 一) ， 女 ， 吉林九 台人 ， 讲师 ， 从事 桥梁 施 工检测研 究工作 。 ( 2 ) 评价预制混凝土板梁的总体施工质量； ( 3 ) 推测该批预制板梁的承载能力及正常使用 性能 。 3 试验检测方案 3 1 试验梁的选择 根据对 现场预制钢筋 昆 凝土成 品板梁 的外观 检测 ，挑选外观质量最差 的一片板梁进行试验检 测 、 分析与评估 。 3 2 试 验 理论 依 据 梁式桥为受 弯结构 ，在结构 自重 与设计荷 载 作用下 ， 桥跨结构主要承受弯矩， 同时因横力弯曲 而承受剪力。简支梁的最大弯矩出现在各跨跨中 区域 ( 正弯 矩 ) ， 简支梁 的最不利受剪 区域约在各 支点处 1 4范围内。 预制板梁组成的桥跨结构 为简支结构 ，因而 其在成桥状态下 的受力模型是简 支梁模 型。由于 成桥状态下预制板梁仅为桥跨结 构的一个受力 单 元 ， 各受力单元 间通过铰缝联结而协 同受力 ， 因而 在成桥状态下预制板梁单元 的受力 与单 片简支板 梁 的受力方式存在 明显差异一板 梁构件与桥跨 结 构 的板梁单元受载边界约束条件不同。 为 了检测评价桥梁预制构件 在使 用荷 载作 用 下 的使用性能及实 际承载能力 ，只须对其施加 等 效试验荷载 ( 使预制构件产生的理论荷 载效应 与 其作为桥跨结构板梁单元 、在设 计荷载作用下 产 生 的理论荷载效应相 同) ， 通过观测板 梁预制构 件 在 等效试 验荷载作用 下的结构实 际荷 载反应 ， 推 断其作为桥跨结构受力单元的结 构表现 ，评价 其 实际承载能力。 3 3 试验荷载的确定 根据试验相似理论和结构检测的 目的 ，采 用 载荷 ( 结构 控制 内力 ) 等效 的原则确定试验荷 载 。 通过分析计算作为桥跨结构受力单元 的板梁构件 在各种荷载 因素作用下 的截 面 内力 ， 按照 内力 等 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 1 1 月第 1 1 期 城市道桥 与防洪 桥梁结构 6 7 效的原则 ，确定受检试验梁所需施加的等效试验 荷载量值。 3 4 结构试验与分析方 法 对受检预制混凝 土板梁进行分级加 载 ，观测 与记录在各级试验荷载作用下受载板梁 四分点与 跨 中截面的应力 、支点及跨 中点 的变形 和梁体 的 裂纹状态 。 根据现行桥梁设计 规范 、桥梁设计 的相关理 论 ， 对试 验测试结果进行 理论分析与评 价 ， 进 而评 估结构总体施工质量，推测混凝土梁的实际承载 能力和使用耐久性 。 通过对试验梁体应力、 挠度及开裂状态分析 ， 判断钢筋混凝 土梁的荷载表现 。 监测梁体结构应变和位移的测点布置位置见 图 1 。 9 L 4 截砸灏 I 点布赞 6 L 2 截面测点布鼹 l 0 l 1 2 l 6 7 1 8 膂 一 7 W - 8 3 L 4 截 面测点稚 鼹 图 1 梁体各 截面位移 、 应变 测点 图 3 5 试验荷载的确定 ( 1 ) 成桥状态下预制板梁跨中最大荷载弯矩值 根据试 验相似理论和结构检测 的 目的 ，采用 载荷 ( 结构控 制 内力 ) 等效 的原则 确定试验 荷载 。 通过分析计算作为桥跨结构受力单元的板梁构件 在各种荷载因素作用下的截面内力 ，按照内力等 效 的原则 ，确定受检试验梁所需施加 的等效试 验 荷载量值 。 一 般 ，桥跨结构承受的荷载分为：一期恒载 ( 桥梁 自重 ) 、 二期恒 载( 水泥调平层 、 桥面铺装 、 栏 杆等 ) 、 活载( 汽车、 平板挂车 ) 、 其它荷载( 支座沉 降 、 温度 、 混凝土徐变 ) 。 因桥跨结构为简支受力结构 ， 所 以 ， 在成桥状 态下结构承受 的荷载为 ： 一期恒载 ( 桥梁 自重 ) 、 二 期 恒载 ( 水泥 调平层 、 桥 面铺装 、 栏 杆等 ) 及活 载 ( 汽车 、 平板挂车 ) 三类荷载。 对受检预制板梁采用 与成桥 状态完全 相同的 支撑跨径 ，则受测试 验板梁所需施加 的试 验荷 载 应与成桥状态下该试验板梁 承担 的二期恒 载 ( 水 泥调平层 、 桥 面铺装 、 栏杆等 ) 效应 +活载 ( 汽车 、 平板挂车 ) 效应等效。 根据桥梁设计理论 ，在成桥状态 下板梁跨 中 截面承受 的二期恒载 和活载 ( 汽 车 、 平板挂车 ) 弯 矩效应计算值见表 1 。 表 1 在成桥 状态下 板梁跨 中截 面弯矩设计 值( 单位 ： k N m ) 注 ： 表 中结果计入 了所有 二期恒 栽 、 活载冲击 效应及 横向分 配 影响 。 ( 2 ) 试验等效荷载 预制板梁 的试验 状态为简支状态 ，因采用与 桥跨相同的支撑跨径， 因此 ， 板梁 自重荷载效应 已 经作用在试验梁体上 ，所以试 验梁 还需施加的荷 载应与二期恒载及车辆荷载在板梁跨 中产 生的弯 矩等效 。 二期恒载 + 车辆荷载的等效弯矩为： M =1 03 0+ 2 7 5 0 =3 7 8 0 k N 。 m 试验梁支撑跨 径为 1 9 3 m，根据现场试验条 件 ， 采用在跨 中 5 5 m的范 围内进行堆载的方式进 行预制板梁的荷载试验 ， 则试验荷载总值为 ： G = 4 0叼 Mj ( L支- 0 5 ) ( 1 ) 式中：0 跨中匀布荷载的分布长度， 单位 m； G 试验荷载总量 ， 单位 k N ； 与试验状态相 比，成桥状态下板梁跨 中弯矩增加幅值， 单位 k N m ； 支 试验梁实际支撑跨径， 单位 m； 厂 _ 一 试验效率系数 ， 0 8 0 叼 1 0 5 。 根据上述计算公式 ， 确定所需试验荷载总量 G。 4 试验 实施过程 4 1 梁体 的支撑 在预制台座上分别用四个橡胶板支座和两根 宽约 2 0 e m、 厚约 6 c m的方木支撑试验梁两端 ， 两 支点的中心距离 l l 0 0 0 mm， 见图 2 。 图 2 试 验加载 及测点布置 示意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 桥梁结构 城市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 1 1 月第 1 1 期 4 2 试验实施与荷载总值 根据现场的实际条件 ，采用堆载方式进行加 载，堆载物为 5 O k g 的袋装水泥，为保证在跨中 5 5 0 c m的范围内顺利堆放水泥 ， 在梁顶横向放置 一 排方木。 试验梁分五级加载 ： 第 1 级荷载总荷载值为 G =3 6 0 k N 第 2级荷载总荷载值为 G 2 =9 9 0 k N 第 3 级荷载总荷载值为 G =1 3 0 5 k N 第 4 级荷载总荷载值为 G 4 =1 6 2 0 k N 第 5 级荷载总荷载值为 G =1 8 4 5 k N 第 6级荷载总荷载值为 G 6 =1 9 3 5 k N 按照前述公式，荷载总重量为 G 6 =1 9 3 5 k N 时 ， 计算 的荷载效率系数 t， 7 为 1 0 5 5 ， 满足规范要 求 。 每级荷载施加后静置 5 1 0 m i n ，待变形稳定 后量测梁体应变与变形， 并观测裂纹。 5 测试 结果及分 析 5 1 结构挠度的实测值 、 计算值与分析 根据各级荷载下测点位移的记录值 求出了相 应的跨中挠度值 ，同时按照规范计算了各级荷载 下跨中理论挠度值 ( 弹性模量取 3 3 1 0 4 M P a 计 算 ) 。 从各级荷载作用下跨 中挠度实测值 与计算值 的 比较不 难发 现 ： 除第一 级荷 载外 ， 实测 挠度 与 计算理论挠度比值 叼 ( 结构位移校验系数) 值多在 0 6 0 8之间。 由有关文献查得 的无缺陷预应力钢筋 昆凝土 梁 的结构位移校验 系数一般 在 0 7 0 1 0之 间 ， 可 见 ， 试验梁的变形特性正常， 梁体混凝土的整体强 度达到了设计要求 。 在最大试验荷载作用下 ，跨 中挠度实测值 = 5 0 9 mm， 根据规范第 4 2 - 3条 的规定 ， 最大竖 向挠 度允许值为 _厂 ： 1 8 3 I f 】 = L J 6 0 0 = I 1 0 0 0 6 0 0 m m， 可 见 门。 挠度检测结果表 明：混凝土梁整体变形 性能 优 良， 满足规范对结构挠度的要求。 5 2 结构应力的实测值、 计算值与分析 根据各级荷载下测点应变 的记录值求 出了相 应测点在各加载时刻的应力值( 因堆载产生的测点 应力值， 4 0 号混凝土弹性模量取 E = 3 3 1 0 4 M P a ) ， 同时按照结构设计原理的平截面假定计算了各级 荷载阶段相应测点的理论应力值 ，在计算出中性 轴位置后 ，按照材料力学弯曲应力理论计算测点 应力值 。 对各级荷载作用下测点应力的实测值与理论 应力计算值的对比分析发现：测点的实测值与计 算值吻合良好 ；但在某些工况下某些测点的实测 值与计算值差异较大； 实测值对称性较好。 上述现象说明试验梁的结构对称性较好， 同时 表明布片的对称性也控制较好 ， 另外堆载对称性 良 好 。可 以认为测试结果在总体上是有效 的， 应力的 测试值与分析值基本反应了试验梁的应力状态。 各级荷载作用下测点应力的实测值与计算值 的比较不难发现 ：混凝土的实测应 力远低于理 论 计算应力 ，两者 问的差异来 自于理论计算 的简化 假定一非弹性体的弹性体简化。混凝土的实测应 力与计算应力的平均比值 卵 ( 结构应力校验系数) 为 0 7 7 ， 个别 值超过了 0 9 0 ， 正常预应力钢筋 混 凝土板梁 的应力 校验系数一 般在 0 6 0 0 9 0之 间。考察测试结果发现， 值超限的测点有两类： 受拉 区测点 ，可能应变 片长度范 围内发生 了混凝 土开裂 ； 受 压区测点 ， 可能应 变片 出现异 常 ， 为无 效测点。 5 3 结构 裂纹观测与分析 在所有各级试验荷载作用下 ，试验梁均未发 现有裂纹产生。 5 4 混凝土梁 回弹强度测量与分析 本次试验过程 中还测量 了混凝土梁六个测 区 的 回弹强度 ，六个测 区中有 五个测 区回弹强度值 在 4 0 MP左右 ， 有一个测区回弹强度值偏低 ， 主要 由于该测 区表面粗糙 、凹凸不平 以及测量误差所 引起 。 狈 4 试结果表明：混凝土回弹强度值总体上满 足强度要求 。 6 鉴定结论 通过对预制普通钢筋混凝土空心板梁的检测 试验与理论分析 ， 得 出如下检测鉴定技术结论 ： ( 1 ) 试验梁工作性能正常； ( 2 ) 试验梁 的受力性 能 、 变形性能均符合设计 要求 ； ( 3 ) 预制混凝土梁的实际承载能力满足设计荷 载对桥跨结构承载能力的要求 ； ( 4 ) 桥跨结构的变形性能良好 、 试验最大荷载 作用下无裂纹产生，预制板梁的正常使用性能符 合设计要求 ； ( 5 ) 梁体混凝土回弹强度总体符合设计要求。 抽检结果表明 ：该 预应 力钢筋混凝 土空心板 梁质量合 格 ， 可 以在桥梁工程 中正常使用 ， 建议进 行后续结构施工 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m