35 m預(yù)制混凝土箱梁承載力評定研究

朱德華，趙鵬，王新剛（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津　300222）

35 m預(yù)制混凝土箱梁承載力評定研究

朱德華，趙鵬，王新剛*
（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁預(yù)制完成后需要檢驗其施工質(zhì)量，并對其承載能力是否達到設(shè)計要求進行評定。文章在對35 m預(yù)制混凝土箱梁靜載有限元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場靜載試驗數(shù)據(jù)，分析評定箱梁承載力。評定結(jié)果表明，預(yù)制混凝土箱梁承載力符合設(shè)計要求，并有一定的安全儲備。

混凝土箱梁；承載力；評定

0　引言

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁預(yù)制完成后需要檢驗其施工質(zhì)量，并對其承載能力是否達到設(shè)計要求進行評定。箱梁靜載試驗是將荷載作用在箱梁上的某個指定位置，測試箱梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的撓度、應(yīng)變、裂縫等參數(shù)，并據(jù)此判斷箱梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的工作性能和承載能力[1]。箱梁靜載試驗既要客觀、準(zhǔn)確、全面地評定結(jié)構(gòu)的承載能力與工作性能，同時又要兼顧試驗效率，因此，如何準(zhǔn)確、高效地進行箱梁靜載試驗是值得研究的課題。本文在對35 m預(yù)制混凝土箱梁靜載試驗有限元模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場靜載試驗實測數(shù)據(jù)，分析評定箱梁的承載力。

1　工程概況

海濱大道北段二期工程自永定河河口南側(cè)的海濱大道疏港三線立交，向北先后跨越疏港四線和規(guī)劃的永定新河主河道，沿線以高架橋的方式在海灘灘涂地向北延伸，最終在蟶頭沽村東北側(cè)接海濱大道北段高速公路主線收費站。主線高架橋采用跨徑為35 m的裝配式先簡支后連續(xù)預(yù)制混凝土箱梁，其斷面如圖1所示。

預(yù)制箱梁混凝土設(shè)計標(biāo)號為C50，現(xiàn)澆接頭，濕接縫采用C50微膨混凝土，預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)水泥漿強度大于40 MPa；錨下控制應(yīng)力σcon=0.73fpk= 1 357.8 MPa。設(shè)計彎矩（二期加活載）5 564.2 kN·m。

2　35 m預(yù)制混凝土箱梁靜載有限元分析

2.1有限元模型的建立

根據(jù)設(shè)計資料，按照35 m預(yù)制混凝土箱梁的實際尺寸建立有限元模型[2]。箱梁靜載有限元分析的加載方式，采取在箱梁寬度方向一半位置、長度方向上l/3處和2l/3處兩點加相同數(shù)值的集中荷載。設(shè)計要求箱梁靜載試驗加載控制值為設(shè)計彎矩的90%，即5 007.8 kN·m。

2.2箱梁靜載試驗有限元分析結(jié)果

經(jīng)計算分析，當(dāng)集中荷載值加載到最大級別429.24 kN時，跨中最大彎矩為5 007.8 kN·m，如圖2所示，此時跨中最大撓度為30.5 mm?？缰?/p>

箱梁跨中最大彎矩截面特征點位置如圖3所示，跨中截面特征點應(yīng)力有限元分析結(jié)果如表1所列。

圖1　35 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斷面圖Fig.1　Cross-section of 35 m prestressed concrete box girder

表1　跨中截面特征點應(yīng)力Table 1　Stress at characteristic points at mid-span cross-section MPa

圖2　35 m預(yù)制混凝土箱梁靜載試驗彎矩有限元分析結(jié)果Fig.2　Results of finite element analysis of bending of a 35 m precast concrete box girder under static loading test

圖3　箱梁跨中截面應(yīng)力點Fig.3　Stress points at mid-span cross-section of box girder

3　35 m預(yù)制混凝土箱梁靜載試驗

3.1測試截面及測點布置

1）箱梁應(yīng)變測點布置

本次試驗應(yīng)變測點布置在跨中截面。在跨中截面兩側(cè)沿梁高各布置5個應(yīng)變測點，采用表面鋼弦式傳感器。應(yīng)變測點布置與圖3相同。

2）箱梁撓度測點布置

為測試在靜載試驗過程中箱梁的撓度變形，在箱梁兩端支點位置、跨中截面位置、1/4截面位置和3/4截面位置兩側(cè)均設(shè)置撓度測點，采用百分表測試各點的撓度值，如圖4所示。

圖4　集中加載及撓度測點布置示意圖Fig.4　Schematic layout of measuring points for concentrated loads and deflection

3.2加載方式

在實際試驗過程中，采用千斤頂在兩點分級加載，加載位置與有限元分析計算一致，如圖4所示，每個千斤頂上下面分別墊40 cm×40 cm× 2 cm鋼板。

試驗最大加荷值與有限元計算相同，即P= 429.24 kN。

3.3加載分級

為保證試驗過程箱梁結(jié)構(gòu)的安全并消除非彈性變形，整個加載過程共分為兩個階段進行。

1）預(yù)加載階段

預(yù)加載階段共分2級：0→0.4P→0.7P→0。

2）試驗階段

試驗階段荷載共分5級：0→0.2P→0.4P→0.6P→0.8P→P→0.8P→0.6P→0.4P→0.2P→0，即5級荷載分別為 85.8 kN、171.1 kN、257.5 kN、343.4 kN、429.2 kN。

每級加載完成后，持續(xù)15 min，在5 min、10 min、15 min時量測各截面的撓度和應(yīng)變；在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，持續(xù)30 min，在5 min、10 min、15 min、30 min時量測各截面的位移。每級卸載完成后，持續(xù)15 min，在5 min、10 min、15 min時量測各截面的的撓度和應(yīng)變。在全部荷載卸載后的45 min時間內(nèi)，在5 min、10 min、15 min、30 min、45 min時，量測撓度和應(yīng)變殘余值。

3）中止加載條件

①受拉主鋼筋的受拉應(yīng)變達到0.01；②受拉主鋼筋拉斷；③受拉主鋼筋處最大垂直裂縫寬度達到1.5 mm；④撓度達到跨度的1/600[3]，即58.3 mm；⑤受壓區(qū)混凝土壓壞。

4　試驗結(jié)果分析

4.1撓度測試

將跨中截面左右兩側(cè)撓度實測值平均，得跨中撓度實測值與荷載的關(guān)系如圖5所示。

圖5　箱梁跨中撓度-荷載曲線圖Fig.5　Relationship between deflection and loading at mid-span of box girder

由圖5可以看出：

1）箱梁跨中撓度與各級荷載之間為線性關(guān)系，且線性關(guān)系良好。

2）卸載后的殘余撓度為1.1 mm，相對殘余撓度量為4.8%，符合JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[4]關(guān)于“主要控制測點的相對殘余變位不大于20%”的要求，說明箱梁結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)。

3）實測箱梁跨中撓度最大值為22.8 mm，小于理論計算值的30.5 mm；撓度校驗系數(shù)為0.75，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[4]中關(guān)于“撓度校驗系數(shù)不大于1”的要求。

4）根據(jù)箱梁跨中最大撓度實測值和箱梁跨徑，計算撓跨比為1/1 535，符合規(guī)范要求。

4.2應(yīng)變測試

將箱梁兩側(cè)對應(yīng)的應(yīng)變測點實測值取平均，以消除斜彎曲對應(yīng)變測試數(shù)據(jù)的影響，得跨中截面實測應(yīng)變值沿截面高度的分布如圖6所示。

圖6　跨中截面實測應(yīng)變沿截面高度分布線圖Fig.6　Measured strain along depth of cross-section at mid-span

由圖6可以看出，箱梁跨中截面應(yīng)變沿截面高度呈良好的線性分布，說明截面變形符合平截面假設(shè)，梁的實測中性軸高度為119.1 cm，與有限元仿真計算值118.6 cm非常接近。在試驗加載到最大級別荷載時，實測箱梁跨中截面應(yīng)變最大值為106×10-6ε，應(yīng)力理論值為9.5 MPa，經(jīng)換算后應(yīng)變值為275×10-6ε，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.39，說明箱梁實際工作狀況要好于理論狀況。同時，在最大荷載作用下，箱梁下邊緣最大應(yīng)變處未發(fā)現(xiàn)任何受力變形裂縫，說明箱梁預(yù)應(yīng)力滿足受力要求。應(yīng)變最大值點卸載后殘余應(yīng)變僅為3×10-6ε，相對殘余應(yīng)變?yōu)?.8%，符合《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》關(guān)于相對殘余應(yīng)變不大于20%的規(guī)定，說明箱梁截面變形處于彈性工作狀態(tài)。本次箱梁靜載試驗主要技術(shù)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表2　箱梁靜載試驗主要技術(shù)數(shù)據(jù)匯總Table 2　Summary of main technical parameters for static loading tests for box girder

5　結(jié)語

通過本次對于35 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁靜載試驗研究，可以得到如下結(jié)論：

1）箱梁的各測點實測數(shù)據(jù)分布與仿真計算較為吻合，校驗系數(shù)滿足試驗規(guī)程規(guī)定，箱梁的實際狀況好于理論狀況，相對殘余撓度和應(yīng)變滿足試驗規(guī)程要求，箱梁符合彈性工作狀態(tài)。

2）箱梁的受力性能和正常使用狀態(tài)承載力滿足設(shè)計荷載要求。

3）箱梁靜載試驗有限元模擬為現(xiàn)場靜載試驗提供了理論依據(jù)支撐，并據(jù)此優(yōu)化了試驗方案，提高了靜載試驗效率與試驗的準(zhǔn)確性。

[1]杜建華.公路與橋梁試驗檢測[M].北京：中國電力出版社，2009：192-193.

DU Jian-hua.Testing and inspection of roads and bridges[M]. Beijing:China Electric Power Press,2009:192-193.

[2]劉美蘭.Midas Civil在橋梁結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2012：14-50.

LIU Mei-lan.Midas Civil in analysis of bridge structure[M]Beijing:China Communications Press,2012:14-50.

[3]JTG D 60—2015，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

JTG D 60—2015,General code for design of highway bridges and culverts[S].

[4]JTG/T J 21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

JTG/T J 21—2011,Specification for inspection and evaluation of load-bearing capacity of highway bridges[S].

Evaluation of bearing capacity of 35 m precast concrete box girders

ZHU De-hua,ZHAO Peng,WANG Xin-gang*
（CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

After a prestressed concrete box girder is finished,it is required to test its construction quality and to evaluate its bearing capacity to meet the design requirements.Based on the finite element analysis of the static loads of the 35 m precast concrete box and combining with the field data of static loading tests,the bearing capacity of box girders is analyzed and evaluated.The evaluation results show that the bearing capacity of the precast concrete box girder meets the design requirements and has a certain safety reserve.

concrete box girder；bearing capacity；evaluation

U446

A

2095-7874（2016）08-0043-04

10.7640/zggwjs201608010

2016-05-03

朱德華（1980— ），男，山東臨沂人，碩士，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)及基樁檢測研究工作。*通訊作者：王新剛，E-mail：wxg58@126.com