空心板梁旧桥的承载力评定

空心板梁旧桥的承载力评定

1空心板梁现场试验由于安装方便、制造简单、施工方便、节水，预制空心板桥在中国的中小型桥上得到了广泛应用。但由于施工工艺缺陷和运营期受超载车辆的影响,早期的空心板梁桥在经过一段使用时间后,发生了一些病害。为了消除安全隐患需要对空心板梁进行现场试验,通过静载试验对桥梁的使用性能重新评估,并判定空心板梁的实际承载力。空心板梁桥通常每跨由相同尺寸的空心板组成,当桥跨数较多时,待检测桥梁为相同跨径的同类空心板。对每一座桥分别进行荷载试验,势必花费较多时间,影响过往交通和增加检测费用,且试验加载值不能过大。采用单梁试验方法只需拆除部分有代表性的空心板梁,对交通的影响可降到最低,并能节约时间和降低检测费用。另外,单梁试验可对空心板梁进行更大的加载值试验,可得到单梁的开裂荷载、刚度等更多承载力评估参数,因此单梁试验可对空心板梁桥的承载力做出更为全面有效的评价。2桥面体系和钢筋某高速公路上有4座跨度为13m的装配式预应力混凝土空心板梁桥,累计有364片板梁。梁间采用45cm的长铰缝连接,现浇铺装层设计厚度为10cm,横断面布置如图1所示。该桥计算跨径12.6m,桥面净宽13.5m,设计荷载为汽-超20,挂-120(公路-Ⅰ级)。空心板和铰缝采用C40混凝土;预应力钢绞线采用ASTM416-87标准270级ϕj12.7钢绞线;普通钢筋采用Ⅱ级和Ⅰ级钢筋2种;桥面铺装采用C30沥青混凝土。每片板梁宽99cm、高55cm,底板和顶板厚10cm,腹板厚约17cm。纵向受力筋采用ϕj12.7预应力钢绞线,在腹板底横向每5cm布设1根,每片梁12根,直线通长布设,无弯起,单根张拉后锚固在梁端底板,普通纵筋采用直径12mm的Ⅱ级钢筋,预应力筋和普通钢筋重心距梁底4.5cm。单梁横断面如图2所示。3单梁试验3.1空心板梁的病害特征试验空心板梁的选取原则如下:选取病害较为严重的空心板梁;根据横向分布系数计算结果,选取横向分布系数较大的空心板梁。根据该桥的病害特征,选取的空心板梁的病害特征为梁底有少量纵向和横向裂缝、主梁之间的铰缝有不同程度的脱落,且梁底板偏薄。现以试验中的2片梁为例说明单梁试验的测试结果。3.2位移和应变测点布置对于预应力混凝土空心板梁,测试截面包括:跨中截面和1/4跨截面。在控制截面底板处均布置位移测点和应变测点。位移测点处布置百分表,应变测点处布置电阻应变片,并配以静态应变测量系统、电脑各1台。3.3空心板梁等效承载力计算结果空心板梁跨中的横向分布系数按铰接板法计算,求得空心板梁横向分布系数为0.257。按照形心高度、面积和惯性矩不变的原则,将空心板梁等效为工字形截面进行受力计算,确定单梁承载力,计算值扣除空心板梁自重即为需要的加载值。计算结果如表2所示。由于试验梁没有10cm混凝土现浇层,而实际使用桥梁的空心板梁顶有10cm的混凝土现浇层,对2种截面特征对应的承载力进行换算。换算原则以使结构产生相同应力为原则。3.4空心板梁加载等级分析对单片简支空心板梁进行静力加载,以跨中达到最大弯矩为控制指标。根据现场条件确定空心板梁加载方案:在梁两端距支座3.6m处放置垫木,在垫木上方放置1片空心板梁,通过垫木将空心板梁自重传向试验梁,通过在空心板梁上堆放重物来实现下一级加载等级,加载示意如图3所示。对选取的空心板梁按以下加载工况进行加载:工况1,加载点在距支座3.6m处,施加的最大荷载为正常使用状态对应的荷载值(实际加载值为217.3kN·m);工况2,加载点在距支座4m处,施加的最大荷载为承载能力极限状态对应的荷载值(实际加载值为486.47kN·m)。通过对实测校验系数、实测值和理论值的关系曲线、残余变形和结构刚度等各项指标综合评定桥梁主体结构的承载能力。4空心板梁挠度与应力模型的模拟分析用MIDASCivil有限元程序建立13m跨径预应力简支单梁模型,模拟本次试验加载,得出各加载工况下空心板梁的挠度和应力理论值,以便与试验值进行比较。4.1梁的挠度计算公式与顶板厚度较低的原因及其对挠度校验的影响由于第1片梁的顶板处还有5cm的桥面铺装层未凿除,因此挠度理论值采用顶板加厚5cm的截面计算所得。图4为第1、第2片梁跨中挠度实测值与理论值对比。从图4(a)中可以看出,第1片梁实测挠度大于理论计算挠度,工况1,梁的挠度校验系数为1.13,相对残余挠度为10.5%;工况2,当荷载为486.47kN·m时,梁的挠度校验系数为1.20,相对残余挠度为6.6%。通过对第2片梁的顶板测量表明,顶板厚度较设计值偏薄,所以在进行挠度理论值计算时按顶板厚度减少3cm进行计算。从图4(b)可得,第2片梁实测挠度大于理论计算挠度,工况1,梁的挠度校验系数为1.22,相对残余挠度为5.0%;工况2,当荷载为447.27kN·m时,梁的挠度校验系数为1.94,相对残余挠度为3.1%。4.2梁的应力校验系数在1/4跨和跨中布置测点,图5为跨中下缘应力实测值与理论值对比,不考虑自重和预应力效应。从图5(a)可得,第1片梁实测应力均大于理论计算应力值,工况1,梁的应力校验系数为1.36,相对残余应力为8.0%,工况2,当荷载为447.27kN·m时,梁的应力校验系数为1.20,相对残余应力为5.9%。从图5(b)可得,第2片梁实测应力均大于理论计算应力值,工况1,梁的应力校验系数为1.29,相对残余应力为6.3%,工况2,当荷载为447.27kN·m时,梁的应力校验系数为2.29,相对残余应力为15.3%。4.3梁的弯矩与弯矩曲线对比通过此次试验可得出以下结论:(1)2片梁在试验工况下测得的实测挠度和应力均大于理论计算值,即校验系数大于1。(2)在试验工况下,2片梁的相对残余变位较小,相对残余挠度(或应变)均小于20%。(3)从梁的弯矩~挠度曲线对比图可看出,在2种工况下,挠度理论值曲线斜率均大于实测值曲线斜率,说明梁的刚度不足。(4)工况2,第1片梁的弯矩~挠度曲线斜率变化出现在加载弯矩为388.47kN·m时,第2片梁的弯矩~挠度曲线斜率变化出现在加载弯矩约为353.33kN·m时,斜率变化处即为梁的开裂荷载,说明第2片梁的开裂荷载偏小。(5)对预应力混凝土桥梁构件来说,实测校验系数大于1,空心板梁刚度和应力安全储备不足,开裂荷载偏小,应对该类桥做加固或更换板梁处理。5空心板梁破坏荷载的测试本次试验方法根据单梁和整桥受力等效原则,通过对13m跨径的2片梁进行单梁试验,用试验结果和计算结果比较验证,评价整桥的受力性能,可最小程度地影响交通,简单易行,实