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(píng)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(yàn)其施工質(zhì)量，并對(duì)其承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)定。文章在對(duì)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(chǎng)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析評(píng)定箱梁承載力。評(píng)定結(jié)果表明，預(yù)制混凝土箱梁承載力符合設(shè)計(jì)要求，并有一定的安全儲(chǔ)備。

混凝土箱梁；承載力；評(píng)定

0　引言

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁預(yù)制完成后需要檢驗(yàn)其施工質(zhì)量，并對(duì)其承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)定。箱梁靜載試驗(yàn)是將荷載作用在箱梁上的某個(gè)指定位置，測(cè)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(yàn)荷載作用下的工作性能和承載能力[1]。箱梁靜載試驗(yàn)既要客觀、準(zhǔn)確、全面地評(píng)定結(jié)構(gòu)的承載能力與工作性能，同時(shí)又要兼顧試驗(yàn)效率，因此，如何準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行箱梁靜載試驗(yàn)是值得研究的課題。本文在對(duì)35 m預(yù)制混凝土箱梁靜載試驗(yàn)有限元模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析評(píng)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(fèi)站。主線高架橋采用跨徑為35 m的裝配式先簡(jiǎn)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(jì)標(biāo)號(hào)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(qiáng)度大于40 MPa；錨下控制應(yīng)力σcon=0.73fpk= 1 357.8 MPa。設(shè)計(jì)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(jì)資料，按照35 m預(yù)制混凝土箱梁的實(shí)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(zhǎng)度方向上l/3處和2l/3處兩點(diǎn)加相同數(shù)值的集中荷載。設(shè)計(jì)要求箱梁靜載試驗(yàn)加載控制值為設(shè)計(jì)彎矩的90%，即5 007.8 kN·m。

2.2箱梁靜載試驗(yàn)有限元分析結(jié)果

經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)集中荷載值加載到最大級(jí)別429.24 kN時(shí)，跨中最大彎矩為5 007.8 kN·m，如圖2所示，此時(shí)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(diǎn)位置如圖3所示，跨中截面特征點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)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(diǎn)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(yàn)

3.1測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置

1）箱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

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

2）箱梁撓度測(cè)點(diǎn)布置

為測(cè)試在靜載試驗(yàn)過(guò)程中箱梁的撓度變形，在箱梁兩端支點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，采用百分表測(cè)試各點(diǎn)的撓度值，如圖4所示。

圖4　集中加載及撓度測(cè)點(diǎn)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(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，采用千斤頂在兩點(diǎn)分級(jí)加載，加載位置與有限元分析計(jì)算一致，如圖4所示，每個(gè)千斤頂上下面分別墊40 cm×40 cm× 2 cm鋼板。

試驗(yàn)最大加荷值與有限元計(jì)算相同，即P= 429.24 kN。

3.3加載分級(jí)

為保證試驗(yàn)過(guò)程箱梁結(jié)構(gòu)的安全并消除非彈性變形，整個(gè)加載過(guò)程共分為兩個(gè)階段進(jìn)行。

1）預(yù)加載階段

預(yù)加載階段共分2級(jí)：0→0.4P→0.7P→0。

2）試驗(yàn)階段

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

每級(jí)加載完成后，持續(xù)15 min，在5 min、10 min、15 min時(shí)量測(cè)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(shí)量測(cè)各截面的位移。每級(jí)卸載完成后，持續(xù)15 min，在5 min、10 min、15 min時(shí)量測(cè)各截面的的撓度和應(yīng)變。在全部荷載卸載后的45 min時(shí)間內(nèi)，在5 min、10 min、15 min、30 min、45 min時(shí)，量測(cè)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(dá)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(dá)到1.5 mm；④撓度達(dá)到跨度的1/600[3]，即58.3 mm；⑤受壓區(qū)混凝土壓壞。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1撓度測(cè)試

將跨中截面左右兩側(cè)撓度實(shí)測(cè)值平均，得跨中撓度實(shí)測(cè)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(jí)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(duì)殘余撓度量為4.8%，符合JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[4]關(guān)于“主要控制測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位不大于20%”的要求，說(shuō)明箱梁結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)。

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

4）根據(jù)箱梁跨中最大撓度實(shí)測(cè)值和箱梁跨徑，計(jì)算撓跨比為1/1 535，符合規(guī)范要求。

4.2應(yīng)變測(cè)試

將箱梁兩側(cè)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值取平均，以消除斜彎曲對(duì)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，得跨中截面實(shí)測(cè)應(yīng)變值沿截面高度的分布如圖6所示。

圖6　跨中截面實(shí)測(cè)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(shuō)明截面變形符合平截面假設(shè)，梁的實(shí)測(cè)中性軸高度為119.1 cm，與有限元仿真計(jì)算值118.6 cm非常接近。在試驗(yàn)加載到最大級(jí)別荷載時(shí)，實(shí)測(cè)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(yàn)系數(shù)為0.39，說(shuō)明箱梁實(shí)際工作狀況要好于理論狀況。同時(shí)，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(shuō)明箱梁預(yù)應(yīng)力滿足受力要求。應(yīng)變最大值點(diǎn)卸載后殘余應(yīng)變僅為3×10-6ε，相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.8%，符合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》關(guān)于相對(duì)殘余應(yīng)變不大于20%的規(guī)定，說(shuō)明箱梁截面變形處于彈性工作狀態(tài)。本次箱梁靜載試驗(yàn)主要技術(shù)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表2　箱梁靜載試驗(yàn)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(yǔ)

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

1）箱梁的各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布與仿真計(jì)算較為吻合，校驗(yàn)系數(shù)滿足試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，箱梁的實(shí)際狀況好于理論狀況，相對(duì)殘余撓度和應(yīng)變滿足試驗(yàn)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(jì)荷載要求。

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

[1]杜建華.公路與橋梁試驗(yàn)檢測(cè)[M].北京：中國(guó)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(jì)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(cè)評(píng)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(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)及基樁檢測(cè)研究工作。*通訊作者：王新剛，E-mail：wxg58@126.com