弯剪开裂后预应力混凝土梁承载能力试验研究

铁２０１２年第６期　道建筑　１３　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３—１９９５（２０１２）０６－００１３－０３　弯剪开裂后预应力混凝土梁承载能力试验研究　刘　利，高　岩，梁志广　（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　１０００８１）　摘要：某预应力混凝土简支箱梁桥在Ｌ／４跨径处梁体腹板出现较多弯剪裂缝。本文基于荷载试验及理　论分析的方法对该桥进行状态评估，对粱体腹板裂缝形态、数量及分布规律进行了统计分析；通过静栽　试验测试跨中正截面承载能力和斜截面开裂处钢筋应力，通过动载试验测试梁体腹板开裂后结构刚度，　对开裂梁体的正截面及斜截面承载能力进行评估，并结合理论计算分析腹板斜截面裂缝产生的原因。　研究表明：对于预应力混凝土简支箱梁桥，在结构的正截面承载能力及结构刚度尚能满足设计要求的情　况下，不能排除斜截面承载能力不足，需要引起重视。　关键词：弯剪裂缝　简支箱梁　荷载试验　中图分类号：Ｕ４４６．３　文献标识码：Ａ　横向由３片小箱梁组成，中心距为２．７８　ｍ，仅设端横　梁。上部结构的施工方法是采用先架设Ｕ型预制梁，　１　工程概述　某桥全长１６２．７　ｍ，跨径组合（３×２０＋３０＋３×　２０）１ＴＩ，桥面布置为０．２５　ｍ栏杆＋１．０　ｍ人行道＋７．０　ｎｌ行车道＋１．０　ｍ人行道＋０．２５　ＩＴＩ栏杆。上部结构为　２０　ｍ和３０　ｍ预应力简支小箱梁，混凝土强度等级为　然后铺设预制板，再浇筑整体化层，形成桥面及上部结　构整体。下部结构采用重力式桥台、双柱式桥墩。桥　面铺装采用现浇Ｃ３５混凝土（５．０～８．５　ｃｍ）＋沥青混　凝土（３　ｃｍ）。设计荷载标准为汽２０，挂１００；设计通行　速度为３０　ｋｍ／ｈ，桥梁布置见图１～图２。　Ｃ３５，２０　ｍ，３０　ｍ小箱梁梁高分别为１．０　ｍ，１．６　ｍ，每跨　０　５　１０　１５　２０　２５　３０　３５　４０　４５　５０　５５　６０　＿『丽＿Ｔ　＿Ｔ而＿Ｔ　＿Ｔ　＿Ｔ　１　１　１丽１　０（ｍ　Ｏ　台　１　墩　２　墩　３　墩　４　墩　５　墩　６　墩　７　台　图１桥梁平立面布置示意（单位：ｃｍ）　１８８　图２　３０　ｍ（２０　Ｉｎ）梁横断面（单位：ｅｍ）　收稿日期：２０１２—０２＿２０；修回日期：２０１２－０２－２５　作者简介：刘利（１９８７一），男，四川仁寿人，硕士研究生。　１４　铁道建筑　缝。从裂缝分布情况看（图３），２０　ｍ梁裂缝明显多于　２　裂缝概况　检查发现，２０　ｍ梁梁体腹板在桥跨Ｌ／ＩＯ～ＬＩ３范　３０　ｍ梁；各跨中梁裂缝数量均比边梁多；１跨～３跨裂　缝数量较５跨～７跨多。裂缝呈中间宽两头细，裂缝　与梁轴线的夹角在３５。～４２。之间，裂缝最大宽度０．４　ｍｍ，裂缝处混凝土有压碎啃边现象，见图４～图５。　围、３０　ｍ梁梁体腹板在桥跨　４附近均出现较宽腹裂　Ｉ　！　梁体编号（桥跨一梁号）　图３全桥裂缝数量统计　图４梁体腹板典型裂缝　Ｏ　］０　ｊ　ａ　０　９　髑　坚ｌ　８　２　７　１　８＿霉　２　７　０　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　１１　１２　１３　１４　ｌ　５　１６　ｌ７　ｌ８　ｌ９　２０　蠢　跨径／ｍ　图５第一跨中梁裂缝展开（裂缝宽度单位：ｍｍ）　２　墩方向　３　荷载试验　｛　９　Ｌ８　ｕ　为了解梁体的实际工作状态，判断该梁体弯剪开　裂后实际承载能力是否满足原设计荷载要求，通过荷　载试验评定本桥的工作状况。　３．１荷载试验内容　槭　‘　蛏　＼＼＼　２　３　４　５　６　７　８　跨径／ｍ　本桥桥跨均为简支跨，结合结构受力特点及梁体　图７　２０　ｍ跨２　梁裂缝测点布置　腹板开裂现状，本次试验主要内容为：①裂缝较多的第　３跨梁体跨中截面的应变分布、中性轴高度和整体刚　度，评判梁体正截面承载能力是否满足规范要求（图　６）；②各跨梁体自振频率，评判全桥自身动力特性；③　为了测试腹板开裂处钢筋应力幅值，评判斜截面承载　能力是否满足规范要求，选取腹板斜裂缝最多的第２　跨中梁进行测试（图７）。　３．２试验结果评判　１）正截面（跨中）试验结果表明：２０　ｍ和３０　ｍ梁跨　中截面的各项试验指标正常，跨中截面的抗裂性及承载　能力尚能够满足原设计荷载的要求，见图８和图９。　２）斜裂缝试验结果表明，受弯矩影响较小的跨裂　缝测点（距中性轴较近的１　、５　及８　测点）处裂缝扩展　与截面所受剪力基本线性相关（图ｌ０）。裂缝处实测　最大应变已达４７９　Ｘ　１０～，试验时加载车单辆的平均　重量为２８６．４　ｋＮ，而设计荷载重车为３００　ｋＮ并需考虑　１．３的冲击，由此推算设计荷载作用下的应变应该达　到６５２×１０～，也即在设计荷载作用下斜裂缝的扩展　可以达到０．１０　ｍｍ，由于此时拉应力全部由箍筋及弯　起钢筋承受，对应斜裂缝处的钢筋的活载应力幅将达　图６第３跨跨中截面测点布置示意　Ｉ　１３０　ＭＰａ。　２０１２年第６期　弯剪开裂后预应力混凝土梁承载能力试验研究　１５　３）动载试验结果表明，２０　ｍ跨实测自振频率均高　于理论频率４．９９７　Ｈｚ，说明２Ｏ　ｍ跨实际刚度高于理论　刚度，第１跨～３跨自振频率接近，为６．０１，６．０３，５．９８　Ｈｚ，而第５跨～７跨略高为６．１８，６．２１，６．２３　Ｈｚ，这一　梁端斜向裂缝较５跨～７跨梁端斜向裂缝开裂明显严　重）。这一现象说明，虽然２０　ｍ跨实测频率仍高于理　论频率，梁体的开裂已经造成结构刚度的下降。３０　１１１　跨实测自振频率４．４６０　Ｈｚ高于理论频率３．５９１　Ｈｚ，说　测试结果与裂缝的实际分布情况相符（第１跨～３跨　明３０　ｍ跨实际刚度高于理论刚度。　ｌ９Ｏ　６００　ｌ７Ｏ　５００　Ｔ。１５０　ｂ　４００　１３０　３００　霍　餐２ｏ０　７０　ｌＯ０　５０　０　０　２０　４０　６０　８Ｏ　１００　１　２０　１４０　ｌ６０　ｌ８０　剪力￣ｌＪｋＮ　图８第３跨２　梁挠度一荷载　图９第４跨２　梁应变一荷载　图１Ｏ裂缝宽度扩展与腹板试验　效率曲线　效率曲线　剪力相关性对比　４病害原因分析　全储备值已较小，当有超载重车通过时，桥梁存在较大　的安全隐患。　根据材料力学公式，　：　，５　结论　０　　：　，。　０　　１：Ｊ　　通过本桥的承载能力评估工作可以看出，在结构　等土√（詈）＋Ｔ２，　＝　１　ａｒｃｔａｎ（一２　，ｒ），对于预应力　的正截面承载能力及结构刚度尚能满足设计要求的情　箱梁斜截面，在荷载作用下，梁体中性轴下部不断消　况下，并不排除斜截面承载能力不足的问题。对于本　压，混凝土中性轴上部压应力区压应力　不断增大，　桥，由于斜截面抗剪承载能力储备值较小，腹板出现开　主拉应力ｏｒ　不断减小，而主压应力　不断增大，当　裂后，斜截面处承剪混凝土已经退出工作，即使在设计　梁体主拉应力与主压应力的组合超过混凝土在拉压应　荷载作用下，斜截面箍筋钢筋应力幅值也偏大，结构存　力状态下的强度时，出现斜裂缝，在预应力度较高时，　在较大的安全隐患。　理论上　与梁轴线的夹角＞４５。。根据本桥检查情　参　考　文　献　况，梁体斜裂缝与梁轴线的夹角为３５。～４２。，最大裂　缝宽度出现在中性轴偏上部位，与理论超载开裂状况　［１］高岩，郑杉．预应力混凝土梁桥的加固评判实例［Ｊ］．铁道建　相符，由此可判定本桥斜裂缝是由超载车辆过桥所致。　筑，２０００（８）：１０・１２．　［２］马耕，李子春，柯在田．某高速公路预应力混凝土梁桥的检　选取本桥２０　ｍ跨中梁计算距梁端４　ｍ斜截面（腹　测评估［Ｊ］．铁道建筑，２００８（１０）：２５—２８．　板开裂处）抗剪承载能力。根据预应力混凝土受弯构　［３］中华人民共和国交通部．ＪＴＧ　Ｄ６２－－２００４公路钢筋混凝土　件斜截面承载能力计算公式：　。Ｖｄ≤　＋　＋　（其　及预应力混凝土桥涵设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，　中，　。为桥梁结构的重要性系数；Ｖａ为斜截面受压端　２００４．　由作用效应所产生的最大剪力组合设计值；Ｖｃ　为斜截　［４］中华人民共和国交通部．ＪＴＧ／Ｔ　Ｊ２１—２Ｏ１１　公路桥梁承载　面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值；　为与　能力检测评定规程［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１．　斜截面相交的普通弯起钢筋抗剪承载力设计值；　［５］中华人民共和国交通部．ＪＴＧ／Ｔ　Ｈ２１—２０１１　公路桥梁技术　为与斜截面相交的预应力弯起钢筋抗剪承载力设计　状况评定标准［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１．　值），计算可得２０　ｍ跨中梁的斜截面抗剪承载能力为　［６］交通部公路科学研究所，交通部公路局技术处．大跨径混凝　土桥梁的试验方法［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９８２．　５３６．８３　ｋＮ。在挂１００荷载作用下，斜截面剪力组合值　达到５２７．０２　ｋＮ，虽然小于斜截面抗剪承载能力，但安　（责任审编　王红）