全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁橋承載能力試驗(yàn)

王 凱，胡 可

(安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，合肥 230000)

隨著無(wú)粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力鋼束耐久性的不斷提升，體外預(yù)應(yīng)力體系在20世紀(jì)70年代末開(kāi)始逐漸用于混凝土橋梁建設(shè)，并在美國(guó)及歐洲部分國(guó)家得到了較大規(guī)模的工程實(shí)踐。80年代后，體外索的防腐問(wèn)題得到了完善解決，體外束開(kāi)始在各國(guó)被工程師廣泛應(yīng)用。體外預(yù)應(yīng)力因具有易檢查、可更換，預(yù)加拉力可監(jiān)測(cè)，永存應(yīng)力可控等優(yōu)勢(shì)，使其在混凝土橋梁中迎來(lái)了廣泛的應(yīng)用空間[1]。我國(guó)1990年建成的福州洪塘大橋引橋，31孔40 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁[2]是國(guó)內(nèi)首座采用體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁橋，較1978年建成的世界首座體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁橋Long Key Bridge[3]晚10多年。隨著節(jié)段預(yù)制安裝工藝的改善和體外預(yù)應(yīng)力防腐技術(shù)的不斷提升，體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋梁在我國(guó)得到了較大范圍的應(yīng)用，但規(guī)?；膽?yīng)用從蘇通大橋[4-5]開(kāi)始。

國(guó)內(nèi)外對(duì)體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土橋梁均有一定的相關(guān)研究。國(guó)外的研究主要集中在20世紀(jì)80年代90年代，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究從21世紀(jì)開(kāi)始，鐵道部科學(xué)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、福州大學(xué)、西南交通大、同濟(jì)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和高校均對(duì)其開(kāi)展過(guò)一定的研究。現(xiàn)有研究主要集中在結(jié)構(gòu)承載能力極限破壞過(guò)程的相關(guān)研究，包括極限承載能力、內(nèi)力重分布特點(diǎn)、極限過(guò)程體外束響應(yīng)等[6-9]，主要的研究方法包括數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)。其中數(shù)值模擬主要開(kāi)展鋼束滑移與接縫開(kāi)裂模擬分析[10-11]。

已有的物理模型試驗(yàn)主要采用縮尺比在1/5～1/15的縮尺模型開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究,但對(duì)體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土梁橋的足尺模型的研究很少。T.Takebayshi等[12]于1993年以泰國(guó)曼谷二期快速干道系統(tǒng)為依托，開(kāi)展了世界上首個(gè)足尺模型試驗(yàn)，該試驗(yàn)以簡(jiǎn)支梁為模型采用了全體外預(yù)應(yīng)力形式，節(jié)段間接縫為干接縫構(gòu)造，該試驗(yàn)為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的研究提供了最可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在南京長(zhǎng)江四橋引橋建設(shè)過(guò)程中，武煥陵和劉釗等[13-14]以引橋節(jié)段梁為背景，開(kāi)展了1跨簡(jiǎn)支梁實(shí)橋加載測(cè)試，對(duì)結(jié)構(gòu)的使用性能開(kāi)展了試驗(yàn)，未開(kāi)展承載能力方面的試驗(yàn)研究。

針對(duì)全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝連續(xù)梁的足尺模型試驗(yàn)尚無(wú)相關(guān)研究，為了對(duì)蕪湖二橋采用的全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段箱梁的承載能力進(jìn)行全面的檢驗(yàn)，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，本文依托蕪湖長(zhǎng)江公路二橋引橋，開(kāi)展了全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土連續(xù)梁橋的承載能力試驗(yàn)。

1 承載能力足尺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 背景工程

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋及接線是安徽省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“四縱八橫”中“縱二”的一段，是連接蕪湖市長(zhǎng)江兩岸的又一條快速通道，路線全長(zhǎng)55.012 km。蕪湖二橋是我國(guó)首座采用全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土連續(xù)梁橋，全線采用這種結(jié)構(gòu)型式的線路長(zhǎng)度為27.8 km。根據(jù)路線規(guī)劃的總體需求，采用了12.5 m和16.25 m兩種斷面寬度，橋梁跨徑布置分為30 m、40 m和55 m三種型式，全線節(jié)段數(shù)量總計(jì)20 034榀。3種橋跨均采用了等截面布置型式，支點(diǎn)位置和跨中位置的斷面型式相同，這種布置型式極大地提高了結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，便于節(jié)段的預(yù)制生產(chǎn)[15]。

全橋截面設(shè)計(jì)采用了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。12.5 m寬斷面懸臂寬度為3.04 m，如圖1(a)所示；16.25 m寬斷面采用了帶肋形式，懸臂長(zhǎng)度為4.32 m，如圖1(b)所示。4種斷面頂板厚度均采用0.22 m，底板厚度均采用0.20 m。采用斜腹板布置，腹板水平厚度為0.35 m。其中6車道的3種斷面型式頂板與腹板結(jié)構(gòu)型式完全相同，只有梁高不同，極大地提高了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的進(jìn)度。預(yù)制節(jié)段沿縱向劃分為標(biāo)準(zhǔn)段、轉(zhuǎn)向塊、錨固塊、加強(qiáng)塊4種型式。轉(zhuǎn)向塊設(shè)置在橋跨1/3附近，用于實(shí)現(xiàn)體外束的轉(zhuǎn)向；錨固塊布置在墩頂位置，中墩錨固段有2個(gè)錨固塊拼接而成，邊墩錨固段由一個(gè)錨固塊組成；在鄰近邊墩錨固塊位置設(shè)置一加強(qiáng)塊，以提高邊墩錨固塊的總體剛度。

(a)4車道-30 m跨斷面(半幅)

全體外預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)段進(jìn)行配合，采用簡(jiǎn)潔統(tǒng)一的配束形式，以減少節(jié)段類型，如圖2所示。所有橋跨均采用簡(jiǎn)支束配置，在中墩墩頂位置采用交叉錨固，即左側(cè)鋼束錨固在橫梁右側(cè)，右側(cè)鋼束錨固在橫梁左側(cè)，既解決了鋼束錨固問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了橫梁的自平衡狀態(tài)，同時(shí)這種配束方式也很好地配合了逐跨架設(shè)工藝，避免了架橋機(jī)卸載后設(shè)置施工過(guò)程中的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，提高了施工效率。

(a)40 m跨配束示意

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

綜合考慮試驗(yàn)梁與實(shí)橋結(jié)構(gòu)相似性、試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容完備性和試驗(yàn)方案經(jīng)濟(jì)性，本次試驗(yàn)提出了“1跨+1/3跨”的試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)方案。主跨作為試驗(yàn)的重點(diǎn)考察對(duì)象，1/3跨作為試驗(yàn)配跨，用于實(shí)現(xiàn)支點(diǎn)負(fù)彎矩的試驗(yàn)測(cè)試。

試驗(yàn)橋主跨采用與實(shí)橋完全相同的設(shè)計(jì)，包括節(jié)段劃分、混凝土截面尺寸、預(yù)應(yīng)力鋼束線形、轉(zhuǎn)向塊位置等，以實(shí)現(xiàn)與實(shí)際工程完全相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足極限狀態(tài)下截面理論極限抗力與實(shí)橋相同的設(shè)計(jì)目標(biāo)。試驗(yàn)梁由19個(gè)預(yù)制節(jié)段組成，其中懸臂段從支點(diǎn)起算共12.9 m長(zhǎng)，共分為1段1.9 m長(zhǎng)的中支座錨固節(jié)段、0.1 m長(zhǎng)的濕接縫、2段3 m長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、1段3 m長(zhǎng)的過(guò)渡節(jié)段和1段1.9 m長(zhǎng)的端錨固節(jié)段，如圖3所示。懸臂段的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)的模擬要求，端部預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的尺寸和構(gòu)造與實(shí)橋梁端的錨固節(jié)段一致，以實(shí)現(xiàn)對(duì)已有模板的利用，避免新的混凝土模板的制作費(fèi)用。

單位：cm

試驗(yàn)采用3點(diǎn)加載模式，在跨中和轉(zhuǎn)向塊位置設(shè)置加載點(diǎn)，加載方式采用液壓千斤頂加載，千斤頂設(shè)置于橋面上，通過(guò)分配梁和拉桿與反力基礎(chǔ)相連，如圖4所示。反力基礎(chǔ)采用預(yù)埋錨梁混凝土結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)梁架設(shè)前預(yù)先施工完成。每套加載千斤頂配置一組分配梁和4根直徑40 mm的精軋螺紋拉桿，千斤頂加載位置如圖4所示。

單位：cm

2 支點(diǎn)負(fù)彎矩極限承載能力驗(yàn)證

本橋的試驗(yàn)梁采用主跨拼裝施工，1跨范圍內(nèi)所有節(jié)段先懸掛(或支撐)于架橋機(jī)主桁上，待體外預(yù)應(yīng)力張拉完成后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落架，因此本橋的一期恒載在支點(diǎn)位置基本不產(chǎn)生負(fù)彎矩。這種施工方式的全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁在支點(diǎn)處的負(fù)彎矩主要由二期恒載和活載產(chǎn)生，相對(duì)較小，一般不起控制作用。故本次試驗(yàn)對(duì)支點(diǎn)負(fù)彎矩的極限承載能力只做驗(yàn)證性測(cè)試，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)負(fù)彎矩的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，而不做破壞性加載。

理論分析結(jié)果表明，實(shí)橋在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中荷載基本組合下的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)最大負(fù)彎矩為-38 331 kN·m，在試驗(yàn)過(guò)程中按照設(shè)計(jì)彎矩的100%進(jìn)行加載。

在試驗(yàn)加載過(guò)程中，主要控制斷面的位移變化曲線如圖5所示。從圖5可知，在支點(diǎn)斷面加載至承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)最大負(fù)彎矩的過(guò)程中，各關(guān)鍵斷面的位移隨荷載基本呈線性增長(zhǎng)，位移變化均勻，且實(shí)測(cè)值與按照彈性計(jì)算所得的理論值較吻合。在達(dá)到設(shè)計(jì)最大負(fù)彎矩時(shí)，跨中最大豎向位移為8.0 mm，配跨端部最大豎向位移為1.8 mm，說(shuō)明在支點(diǎn)負(fù)彎矩達(dá)到設(shè)計(jì)最大值時(shí)，結(jié)構(gòu)仍處于較好的彈性狀態(tài)，尚未進(jìn)入塑性狀態(tài)，其負(fù)彎矩承載能力儲(chǔ)備足夠。

圖5 加載過(guò)程主梁位移測(cè)試結(jié)果

支點(diǎn)斷面頂板上緣的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，在加載過(guò)程中，頂板的應(yīng)力隨著荷載的增加壓應(yīng)力逐漸減小，但應(yīng)力變化量較小，在達(dá)到最大負(fù)彎矩工況時(shí)支點(diǎn)斷面上緣的拉應(yīng)力仍未超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，主梁預(yù)制節(jié)段及接縫未出現(xiàn)裂縫。縱向應(yīng)變隨著荷載的增加按線性關(guān)系變化，且實(shí)測(cè)應(yīng)力與按照彈性狀態(tài)計(jì)算的理論應(yīng)力吻合性較好。

支點(diǎn)斷面底板下緣的縱向應(yīng)力變化邊跨曲線如圖6所示。從圖6可知，支點(diǎn)斷面底板下緣的縱向應(yīng)力隨著荷載的增加，其壓應(yīng)力逐漸增大，荷載-應(yīng)力曲線呈線性變化。在支點(diǎn)最大負(fù)彎矩工況下，底板的壓應(yīng)力較成橋狀態(tài)增加了4.6 MPa，此時(shí)底板的最大壓應(yīng)力為6.58 MPa，且在負(fù)彎矩加載過(guò)程中底板的應(yīng)變?cè)隽吭跈M向上分布較為均勻，結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。

圖6 加載過(guò)程支點(diǎn)斷面上緣應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

綜上所述，蕪湖二橋采用的全體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，因其恒載作用下支點(diǎn)負(fù)彎矩很小，較一次落架施工其支點(diǎn)負(fù)彎矩減小了50%，且支點(diǎn)位置采用了交叉錨固，施加了充足的預(yù)壓應(yīng)力，即使在設(shè)計(jì)最大負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)工況下，主梁支點(diǎn)上緣并未出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明其支點(diǎn)負(fù)彎矩承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，且支點(diǎn)負(fù)彎矩不是該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制參數(shù)。

3 跨中最大正彎矩極限承載能力驗(yàn)證

本試驗(yàn)對(duì)跨中斷面極限承載能力進(jìn)行加載試驗(yàn)，并對(duì)該過(guò)程結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的跨中位移、跨中截面應(yīng)變和體外束的變化進(jìn)行測(cè)試與分析。試驗(yàn)荷載加載至實(shí)橋結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)最大彎矩，基本組合下的最大設(shè)計(jì)彎矩為86 941 kN·m。

3.1 極限過(guò)程位移變化

在試驗(yàn)加載過(guò)程中，跨中斷面位移的變化曲線如圖7所示。從圖7可知，在試驗(yàn)加載過(guò)程中，當(dāng)跨中試驗(yàn)彎矩M與設(shè)計(jì)極限彎矩Md的比值M/Md<0.74時(shí)，主梁的位移變化呈現(xiàn)良好的線性變化狀態(tài)；當(dāng)荷載M/Md>0.74時(shí)，荷載-位移曲線的斜率略有變化，此時(shí)結(jié)構(gòu)可能在局部位置出現(xiàn)開(kāi)裂，剛度略有降低；當(dāng)荷載達(dá)到M/Md=0.92時(shí)，荷載-位移曲線的斜率發(fā)生了急劇變化，此時(shí)結(jié)構(gòu)的裂縫發(fā)展開(kāi)始加寬，結(jié)構(gòu)剛度降低較為明顯；當(dāng)荷載試驗(yàn)彎矩M從0.92Md加載至1.0Md的過(guò)程中，荷載-位移曲線上位移的增長(zhǎng)速率明顯增大，在此過(guò)程中隨著裂縫的不斷發(fā)展結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步降低，但荷載-位移曲線并未發(fā)散。試驗(yàn)梁在達(dá)到承載能力極限狀態(tài)下的最大設(shè)計(jì)正彎矩時(shí)，主梁跨中最大位移為78 mm，結(jié)構(gòu)仍具有較好的承載能力儲(chǔ)備。

單位：mm

3.2 極限過(guò)程應(yīng)力變化

在跨中正彎矩極限承載能力加載過(guò)程中，對(duì)主梁的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其是跨中斷面的應(yīng)力變化情況。為了檢測(cè)結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂荷載，在底板跨接縫位置布置應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，底板應(yīng)變-荷載曲線如圖8所示。從圖8可知，在M/Md<0.65時(shí)，跨中斷面底板各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨荷載的增加呈線性關(guān)系變化，結(jié)構(gòu)均處于彈性狀態(tài)，在荷載大于0.65Md后,測(cè)點(diǎn)1的荷載應(yīng)變曲線斜率開(kāi)始變化，該點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)消壓現(xiàn)象，這與該位置接縫結(jié)構(gòu)膠體的密實(shí)程度有關(guān)。在荷載達(dá)到0.74Md,測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的曲線斜率略有變化，但不明顯，在荷載達(dá)到0.79Md時(shí),測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的應(yīng)變突然增大，這2個(gè)位置均出現(xiàn)開(kāi)裂，此時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載為結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂荷載，與理論計(jì)算開(kāi)裂荷載0.79Md基本一致。在荷載達(dá)到0.83Md后，測(cè)點(diǎn)3的應(yīng)變也突然增大，發(fā)生開(kāi)裂，此時(shí)底板全斷面均開(kāi)裂。

圖8 正彎矩加載過(guò)程中跨底板應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

底板開(kāi)裂后,頂板的縱向應(yīng)變隨荷載的增加速率明顯加快，到達(dá)設(shè)計(jì)最大正彎矩時(shí)頂板實(shí)測(cè)最大應(yīng)力為16.8 MPa。

3.3 極限過(guò)程體外束應(yīng)力變化

極限加載過(guò)程中體外束的鋼束應(yīng)力會(huì)隨荷載增加而變化，實(shí)測(cè)體外束與荷載的變化關(guān)系曲線如圖9所示。從圖9可知，體外束的應(yīng)力變化曲線和主梁跨中撓度變化曲線相似，在試驗(yàn)荷載達(dá)到0.92Md前，體外束應(yīng)力有所增加，但增加的絕對(duì)值和增加的速率均很??；在荷載超過(guò)0.92Md后，出現(xiàn)較明顯的增加。荷載達(dá)到1.0Md時(shí)，體外束的應(yīng)力由成橋時(shí)的1 274 MPa增加至1 319 MPa，體外束的應(yīng)力增量為45 MPa，在此過(guò)程中應(yīng)力增量較小，體外束具有足夠的安全儲(chǔ)備。

圖9 正彎矩加載過(guò)程體外束測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論與建議

本文開(kāi)展了全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁的足尺模型試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變和體外束等關(guān)鍵性能指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和分析，得出以下主要結(jié)論：

1)蕪湖二橋采用全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁在支點(diǎn)截面和跨中截面均滿足極限承載能力的要求，結(jié)構(gòu)安全性能具有較好的儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

2)對(duì)于逐跨拼裝的全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁，由于其一期自重產(chǎn)生的支點(diǎn)負(fù)彎矩很小，故支點(diǎn)斷面的極限承載能力具有較高的安全儲(chǔ)備，一般不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)配束均采用交叉錨固時(shí)，支點(diǎn)斷面具有更好的安全儲(chǔ)備。

3)在跨中彎矩達(dá)到設(shè)計(jì)最大承載能力極限彎矩值時(shí)，跨中截面仍具有繼續(xù)承載的能力，此時(shí)頂板的混凝土最大壓應(yīng)力為16.8 MPa，體外束的應(yīng)力增量為61 MPa，與其材料的極限值相比較，均具有較大的安全儲(chǔ)備。

4)在采用合理的構(gòu)造型式與鋼束配置狀態(tài)下，全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝箱梁橋具有良好的承載能力，且宜維護(hù)、可檢修,是一種綜合優(yōu)勢(shì)顯著的結(jié)構(gòu)型式。