预应力混凝土板(梁)静载试验若干问题的探讨

JournalofZhejiangVocationalandTechnicalInstituteofTransportationVol.2NO.2,June2001

预应力混凝土板、梁静载试验若干问题的探讨

俞　庆

(浙江交通职业技术学院基础部　杭州　311112)

摘　要　本文讨论了在桥梁预应力混凝土板、梁静载试验中,等效弯矩加载、检测

手段选择、L/4截面实际主应力的计算方法以及静载试验结果的评定等问题,并以实测实例加以验证。关键词　预应力混凝土　静载试验中图分类号　U214103　　　　　　　　　文献标识码　A文章编号　1671-234X(2001)02-0016-05

求,必要时对已张拉待安装的整批板、梁中,也常

采用抽样进行例行质量检验,其目的是保证桥梁在服役期的绝对安全可靠。

0　前言

现代交通事业的迅速发展,高速公路、城市立交桥大量采用预应力混凝土板、梁,其安全可靠性,除设计时对载荷的准确估计外,和施工质量的好坏更为密切相关。例如混凝土的级配,浇捣质量是否达到设计要求的强度,预应力张拉时是否严格在混凝土达到预定强度龄期时张拉,所选用的锚具能否保证预应力损失在设计要求的范围内等等。当前对施工质量的监理,无疑对预应力混凝土板、梁的施工质量保证起到关键的作用,但也不排除施工人员的某些疏忽,不负责任而带来严重的质量问题。对混凝土试块强度的严重超差,预应力张拉时,板、梁的反拱度大大低于设计要求,以及板、梁表面出现大面积的蜂窝等,监理人员有权呈报交通质量监督部门予以报废,但对某些有争议的情况,例如预应力张拉后,板、梁锚固端出现的细微纵向裂纹,个别混凝土试块强度低于标准值,反拱度略小,以及板、梁表面局部粗糙不平等,往往就采用静载试验方法来评定其是否达到设计使用要

　　收稿日期:2001-04-27

作者简介:俞　庆(1969-),男,助理实验师

1　预应力混凝土板、梁静载试验方法

综评

111　跨中按设计弯矩加载的常规例行抽检

常规例行抽检一般采用按跨中设计弯矩等效加

载(扣除梁自重产生的弯矩)方法。分五级加载即按100%设计弯矩的25%、50%、75%、100%及120%五级载荷进行加载。在等效弯矩作用下,通过对跨中挠度,板、梁底部的拉应力,顶部的压应力以及在120%载荷下跨中底部有否出现裂纹的检测,对其质量进行评定。112　L/4截面按设计剪力加载试验大跨度桥梁,允许通过超大型车辆的桥梁,预应力张拉后在跨距内支点附近出现微细横向或斜向不贯穿裂纹的板、梁,可增加按设计剪力加载的试验,其加载方式见图一。

由于在L/4截面上,弯矩和剪力都比较大,有

第2期　俞　庆:预应力混凝土板、梁静载试验若干问题的探讨　　17

可能引起较大的主拉应力,预应力混凝土板、梁设

计时一般不希望出现主拉应力。

按设计剪力加载时应增加L/4截面的挠度测量和主应力测量项目,并注意观察在120%超载时支点到L/4截面之间侧面有否出现斜裂纹。

(挠度及应变均指L/2板、梁底部的实测值)所对

应的线性最大载荷和100%设计载荷的比值。另一种评定方法是加载中L/2板、梁底出现横向贯穿裂纹或裂纹扩展至中和轴,也就是受拉区的混凝土完全失效所对应的试验载荷与100%设计载荷的比值。

对于极限承载能力试验非特别重要的桥梁,或是新型的板、梁结构,一般不必做此试验。

2　关于预应力混凝土板、梁静载试验

图一

若干问题的讨论211　等效弯矩载荷下的跨中挠度比较113　预应力混凝土板、梁极限承载能力试验

极限承载能力试验一般采用跨中加载方法,加载直至板、梁失效,故亦称破坏性试验。主要用于检验预应力混凝土板、梁的强度裕度或安全裕度,它用安全系数来表示。根据不同的要求,评定预应力混凝土板、梁的安全系数有二种,一种是要求板、梁完全工作在线弹性阶段,这样工作安全系数为加载过程中载荷-挠度曲线或载荷-应变曲线

实现跨中等效弯矩加载是比较容易的,只要提供跨中设计弯矩,则不论用跨中集中载荷加载,二支点加载或跨中均布载荷加载都能算出弯矩相等时应加的载荷。表1列出三种加载形式的载荷比和跨中挠度。

表1　不同加载形式跨中挠度比较

加载形式

跨中弯矩

等效弯矩下的载荷比

跨中挠度

MP=PL/4

(以集中载荷作用的P

为基准)1

fp=PL3/48EI

MP′=P′L(1-a/L)/4

MP′=MP时P′/P=1/(1-a/L)>1

fp′=P′L3(1-a2/L2+a3/2L3)/48EI

Mq=qaL(1-a/2L)/4

Mq=MP时

qa/P=1/(1-a/2L)>1

fq=qaL3(1-a2/2L2

+a3/8L3)/48EI

　　由表1可见,实现等效弯矩加载时,第二,三

种加载方式所需载荷均比集中载荷P大,而跨中挠度并不等效,后二种方式加载产生的挠度比跨中集中载荷下的挠度大,挠度偏差(fp′-fp),(fq-fp)随a值减小而减小,随a值增加而增大。例如当a=011L时,

P′=1111P,　fp′=019905P′L3/48EI=11099fpqa=1105P,　fq=019951qaL3/48EI=11045fp

反力架,传感器测力,它加载简便,力值准确,而

后二种方式,一般是堆载加载法,比较麻烦。当它所测的跨中挠度值处于界限值时,应考虑修正。212　应力、应变测量方法的比较

预应力混凝土板、梁静载试验时,需测定跨中板、梁底部和顶部的应力,在L/4截面按设计剪力加载时,还需测定L/4截面的主应力。目前测定应力的方法有两种:(1)应变电测法;(2)引伸计法。其工作原理众所周知,在此不作赘述。下面仅就它们优缺点及应用进行讨论。两者的安装示意图

多数情况下,等效弯距加载都采用跨中集中载荷加载方式,只要有一个反力架,通过千斤顶顶推

18　　浙江交通职业技术学院学报　　

见图二,其优缺点及应用对比见表2。

表2　电测法和引伸计法应用比较

方法

优点

με=10-6相灵敏度高,能分辨1

应变电测法

对变形;可沿板、梁高度任意位置布片;可实现远距离测量;对裂纹特别敏感。

环境温度变化对测量结果有一定影响,需进行温度补偿。

缺点

应用及环境要求

可用于全截面应力测量,多点应力测量,L/4截面主应力测量及破坏性加载测量和监测裂纹的发展。测量时环境:阴雨天,黄昏及晚上测量较佳。

测量精度较低和应变计同样标距

引伸计法

安装简单,环境温度变化对测量结果影响较小。

με相对为120mm时的分辨精度8变形,不适宜多点,全截面和主应力测定仅适用于少量测点应力测量部分应力需通过测量得到,它由布置在L/4截面变截面位置及靠近中和轴位置的应变花测量三个方向

应变(见图二),然后按实验力学公式给出主应力和主方向角。设某测点由应变花三个方向测得应变为ε0,ε45,ε90,则该测点的主应变,主方向及主应力由下列(a)、(b)、(c)三式计算:

主应变ε1ε0+ε90222

(ε(a)　=±0-ε45)+(ε45-ε90)22ε2

ε45-ε0-ε90-12α(b)主方向　=tg0

ε0-ε90

图二

σ主应力　1=σ　　　　2=

E2

1-μ

(εε1+μ2)(εε2+μ1)

由上表可见,由于应变电测法可以进行全截面

应力测量,故能较为精确测定实际加载时板、梁的中和轴位置,对板、梁顶部这样粗糙表面难于粘贴应变计的表面,也能精确推算出加载产生的应力。该法对加载偏心也很敏感,静载试验时如采用板、梁侧面对称布置应变计,既可及时调整加载时的偏心,取同一高度二个侧面应变平均值计算应力也比较合理,故静载试验应推广使用应变电测法。至于环境温度变化的影响,只要措施得当是可以避免的。213　在L/4截面按设计剪力加载时主应力的测量和计算

承载状态的预应力混凝土板、梁的主应力由两部分产生:(1)预应力张拉和板、梁自重引起的。这部分应力一般在静载试验前由设计人员提供,可以正应力σx和剪应力τxy的形式给出,并且最好指明L/4截面计算点位置。(2)试验载荷产生的。这

E2

1-μ

(c)

负载条件下在板、梁混凝土中实际存在的主应力为上述二部分应力的叠加。由于应力为方向矢,只有作用于同一方向的应力矢可以代数相加,故加载引起的主应力应根据主方向角转换为测点的正应力和剪应力。设主方向α0为主应力σ1和X轴的夹角,则有

σσσαXS=(1+σ2)/2+(1-σ2)cos2o/2

τασXYS=(1-σ2)sin2o/2应力为

στ　　　　　XQ、XYQ

σ实际应力　x=σXS+σXQ

(f)(d)(e)

若预应力张拉和板、梁自重产生的正应力和剪

τ(g)　　　　　XY=τXYS+τXYQ

最后由(f),(g)式求出测点主应力(主拉应力和主压应力)

第2期　俞　庆:预应力混凝土板、梁静载试验若干问题的探讨　　19

σtpσcp

σσxx2

=±()2+τxy

22

(h)

(σfc〕cmax+σpc2)≤〔

3　静载试验结果的评定

一片符合设计使用要求的预应力混凝土板、

梁,试验结果应满足如下控制条件:

(1)挠度控制条件

设加载产生的挠度为fP,预应力反拱度为f′,板、梁跨距为L,则fp-f′≤0或fp/L≤1/600

(2)应力控制条件:

式中〔ft〕及〔fc〕分别为混凝土轴心拉抗强度的

设计值。

(3)线弹性条件加载过程中,跨中挠度fp,混凝土受拉区边缘的拉应变εmax(t)应与载荷MP保持良好的线性关系。

(4)120%超载时,跨中板、梁底部未出现裂纹。

(5)卸载后板、梁体变形恢复,残余变形很

小。

4　实测实例杭州绕城东路某工程16米预应力空心板,提供的跨中最大设计弯矩Mmax=556KNm,120%Mmax=667.2KNm,按跨中集中载荷加载的等效载荷为Fmax=145KN及120%Fmax=174KN,其中13～10#

σσ主应力　ft〕、fc〕tp≤〔cp≤〔

设跨中板、梁底部和顶面预应力产生的应力为σpc1和σpc2,加载产生的板、梁底部的最大拉应力为σpmax,顶部最大压应力为σcmaxσ则应满足　(ft〕pmax+σpc1)≤〔

预应力空心板的试验结果见表3及图三和图四

表3　13-10#预应力空心板跨中按设计最大弯矩加载的试验结果

100%加载(F=145KN)

120%加载(F=174KN)

检测项目

跨中挠度fp(cm)

L/2截面板顶压应力(MPa)L/2截面板底拉应力(MPa)

设　计允许值

加载产生的

01906-71596133

预应力张拉产生的

-11000-0135-7167

合计

-01094-7194-1134

加载产生的

11105-91357178

预应力张拉产生的

-11000-0135-7167

合计

01105-91700111

≯-21MPa≯1147MPa

实测中和轴高度(cm)其　　　他

36135(离板底高度)

120%加载时空心板底未见裂纹,卸载后残余变形很小,为01028cm

注:1、计算应力时C50混凝土的弹性模量取E=3145×104MPa。

2、预应力张拉产生的应力及反拱度,由省交通规划设计研究院提供。3、表中数值前带“-”号的表示反拱度及压应力。

图三　13-10#空心板跨中挠度fP-载荷F关系曲线　　　　注:图上应变数据点A1、A10测点应变的平均值。

图四　13-10#空心板A1、A10测点应变ε-载荷F关系曲线

20　　浙江交通职业技术学院学报　　

　　试验结论

(1)抽检的13-10#预应力空心板,跨中按100%设计载荷加载和进行120%超载试验时,跨中板底和板顶的拉、压应力和预应力张拉产生的应力叠加后均未超过设计允许值。

(2)抽检的13-10#预应力空心板在120%超载试验时,跨中板底均未出现裂纹,卸载后变形恢复,残余变形很小。

(3)预应力空心板跨中按100%设计载荷加载

和120%超载试验时,载荷产生的挠度跨径比分别为:13-10#空心板　　1/1689(100%加载)和1/1385(120%加载)

(4)由图三～图四可见,13-10#梁在加载过

程中,其F-f及F-ε曲线均表现为良好的线性关系。

由此得出结论:抽检的13-10#预应力空心板承载能力符合设计使用要求。

参考文献〔1〕混凝土结构设计规范(GBJ10-89)〔M〕.北京:中国建筑工业出版社,1989.〔2〕刘鸿文.材料力学(第三版)〔M〕.北京:高等教育出版社,1992.

〔3〕徐光辉,胡明义主编.公路桥涵设计手册———梁桥(上)〔M〕.北京:人民交通出版社,1996.

ExplorationofPrestressConcreteSlabandBeamStaticLoadTest

YuQing

(ZhejiangVocationalandTechnicalInstituteofTransportation　Hangzhou　311112)

Abstract　Thispaperdiscussestheequivalentbendingmomentload,thechoiceoftestingmanner,thecalculatingmethod

ofrealprimarystressofsectionL/4,andtheevaluationofstaticloadresultsinthetestofbridgeprestressconcreteslabandbeamstaticload.Theresultsweretestifiedbyapplyingthedataobtainedfromactualmeasurement.Keywords　Prestressconcrete　Staticloadtest

责任编辑　朱国锋