单梁静载试验分析

曾勋勇

摘要：目前随着国民经济的发展、地方经济的协调与合作、文化交流与国防的巩固，交通工程是我国社会主义初级阶段最受重视、投入最多、收益最好的事业之一，中国交通固定资产投资完成额呈逐年稳定增长趋势，2020年中国公路桥梁数量达到91.28万座，在桥梁建设中，必须严把过程关，对单梁进行静载试验，检验预制梁板在设计荷载作用下的工作性能，掌握梁板的施工质量，综合评定目前状态下的梁板是否满足设计荷载等级要求。本文根据采用单梁法建立有限元模型，进行恒载计算及活载分析，评定梁体的工作状况和承载能力，控制桥梁过程中的施工质量。

关键词：预制梁板；静载试验；承载能力评定

1 梁板概况

选择跨成南高速大桥右幅6-9#预制预应力混凝土T梁做梁板试验。

跨成南高速大桥右幅6-9#预制预应力混凝土T梁，设计强度等级C50，实际梁长29.52m，。

受检的预应力混凝土T梁设计资料为：

（1）设计荷载：（公路荷载：公路-Ⅰ级）；

（2）梁长：29.52m，计算跨径：28.7m；

（3）梁高：2.50m，翼缘板厚：0.16m，腹板厚：0.20m，梁肋马蹄宽：0.50m；

（4）横隔板：纵向共设置5道横隔板，每道横隔板平均厚度0.19m；

（5）材料：T梁采用C50混凝土，弹性模量Ec＝3.45×104MPa；钢筋采用HPB300和HRB400钢筋；纵向预应力钢绞线，采用符合国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224-2003）高强度低松弛钢绞线，其标准强度fpk=1860MPa。T梁的详细构造请见设计图纸。

2、检测内容及方法

静载试验是通过直接测量结构在静力试验荷载作用下的变形和应力来了解结构的实际性能（如结构的刚度、强度等），根据设计荷载等级要求在桥面布置一定数量的加载荷载，然后测量结构的响应，包括挠度测量、应力测试以及裂缝开展等情况，掌握结构的整体变形及受力规律，了解结构的实际受力状况和工作状态，评定其是否满足设计荷载等级的要求。

根据简支梁的受力特点，单梁静载试验工况均设置1个工况：跨中截面最大正弯矩工况。

2.1 有限元计算

2.1.1 计算条件

1. 采用单梁法建立有限元模型，进行恒载计算及活载分析；

2. 全桥各构件的几何参数、材料参数以及荷载参数均按设计文件取值；

3. 计算模型中仅将桥面铺装及护栏考虑为荷载作用，而不参与结构受力；

4. 边界条件严格按本桥实际支承进行

2.1.2 荷载分析

1. 材料自重均按照设计文件进行取值；

2. 桥面荷载（含桥面铺装、栏杆等）折合为线荷载加载；

3. 设计荷载：公路—I级。

2.1.3计算模型

图 2.1 30mT梁空间计算模型

2.2测试方法

1）、应变测试：在控制截面粘贴应变传感器，采用应变采集仪对各工况下的控制截面应变进行采集，其利用了应变计变形产生的电阻变化，通过测量电桥，使微小的电阻变化装换成与应变成正比的模拟电信号的变化，经过信号放大，将其转换成构件的应变值。本次荷载试验应变，在控制截面相应的位置布设应变计，用连接线将应变计与静态应变采集系统相连，系统通过测试应变计电阻的变化，将其转化成应变值。

2）、挠度和支点沉降测试：采用（数显式/机械式）百分表测量。

3）、裂缝观测：在荷载试验过程中，对试验梁体是否产生裂缝以及原有裂缝进行监测，以裂缝宽度仪或应变仪测量裂缝宽度，用钢卷尺测量裂缝的长度和间距。

2.3 测点布置

1）、应变测点：在试验梁的L/2截面的上、中、下边缘，在L/4截面、3L/4截面的下边缘粘贴应变计，观测梁体在各级荷载作用下的应变变化及其竖向分布情况。

2）、挠度及支点沉降测点：在试验梁的L/4截面、L/2截面、3L/4截面以及两支点处梁底左右两侧各布置一个（数显式/机械式）百分表，观测梁体在各级荷载作用下挠度以及支点沉降变化。

3）梁板的应变和挠度测点布置见图2.2~图2.3，图中 表示应变计， 表示百分表。

图2.2 30mT梁L/2截面应变、挠度测点布置 （单位：cm）	图2.3 30mT梁L/4、3L/4截面应变、挠度测点布置 （单位：cm）

3、荷载布置及荷载效率系数

根据梁板跨中截面控制弯矩的等效加载原则和现场加载设备条件，拟根据现场情况采用梁场现有其他梁板自重（重物梁）提供加载力，加载时由龙门吊通过提升系在重物梁两侧支承端的钢丝绳将重物梁提升至一定高度，并将该梁板的一侧置于试验梁L/2截面上方（轻轻接触），缓慢顶升位于试验梁跨中截面的千斤顶，从而获取加载力，加载量值则通过千斤顶上方的电子测力仪（或千斤顶油压表换算）可方便地监控每级加载量。试验加载方式见图6.1。

静载试验时，T梁截面的加载控制弯矩是按照公路-Ⅰ级设计荷载和二期恒载的组合值进行等效计算确定。本次选取跨成南高速大桥右幅6-9#T梁做静载试验，其最大弯矩出现在L/2截面，其值为3448.5kN•m，选取L/2截面最大正弯矩工况进行试验。

根据荷载加载效率系数范围的要求，本次试验实际在试验梁跨中加载432kN的荷载，控制截面（L/2截面）实际最大弯矩为3121.2kN•m，荷载效率系数为0.91，满足静力试验效率系数要求。

同时为了试验加载安全和了解结构应变（应力）和挠度随试验荷载的变化关系，本次试验分为4级加载、2级卸载。加载及卸载分级情况见表 3.1。

表 3.1 加载及卸载分级表

序号	加载级别	方式	每级荷载增减量kN	控制截面弯矩 kN·m	加载 比例
1	第1级加载	千斤顶（顶升加载梁）	+114.6	828.0	26.5%
2	第2级加载	千斤顶（顶升加载梁）	+112.5	1640.8	52.7%
3	第3级加载	千斤顶（顶升加载梁）	+109.6	2432.7	77.9%
4	第4级加载	千斤顶（顶升加载梁）	+95.3	3121.2	100.0%
5	第1级卸载	千斤顶（千斤顶回油）	-204.8	1641.5	52.6%
6	第2级卸载	千斤顶（千斤顶回油）	-227.2	0.0	0%

注：1、采用油压千斤顶顶升（降）加载梁获得反力对试验梁进行加（卸）载，具体通过千斤顶油压控制加（卸）载重量；

2、表中的“每级荷载增加量”栏：“＋”表示加载量，“－”表示卸载量；

3、加载比例计算按每级加载后跨中产生的等效弯矩占满载时跨中等效弯矩的比例。

根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG T J21-01-2015）规定，每一级荷载以试验梁最大变形测点在最后5min的变形增量小于第一个5min变形增量的15％，或小于测量仪器的最小分辨值时作为稳定标准。

4、试验结果

4.1 应变测试结果

在各级试验荷载作用下，L/4截面、L/2截面、3L/4截面的应变测试结果见表 4.1。

表 4.1 试验荷载作用下控制截面应变结果（单位：με）

截面	位置	项目	初读数	加载				卸载
				第1级	第2级	第3级	第4级	第1级	第2级
L/4截面	下缘	理论值	0	37	73	108	138	73	0
		实测值	0	22	51	76	106	66	9
L/2截面	上缘	理论值	0	-32	-63	-94	-120	-63	0
		实测值	0	-21	-43	-69	-92	-53	-1
	中间	理论值	0	45	87	130	167	88	0
		实测值	0	34	68	102	135	77	9
	下缘	理论值	0	73	146	216	278	146	0
		实测值	0	52	104	157	210	121	16
3L/4截面	下缘	理论值	0	37	73	108	138	73	0
		实测值	0	23	54	77	108	67	9
备注	1、各截面实测值均为左、右两侧测点实测应变的平均值； 2、表中应变数据“+”表示拉应变，“-”表示压应变；

注：表中应变数据以受拉为正，受压为负；

通过对上述数据进行分析可以得出以下结论：

1、在试验荷载作用下，控制截面应变实测值均小于计算值（绝对值），说明结构的实际强度较高，结构性能良好。

2、在试验荷载作用下，控制截面实测应变在加、卸载过程中的变化趋势与理论计算值基本一致，且所有测点在卸载后应变基本恢复，说明上部结构在试验工况作用下基本处于弹性工作范围内。

4.2 挠度测试结果

各级试验荷载作用下试验梁挠度值见表4.2

表4.2 试验工况作用下梁底挠度结果（单位：mm）

位置	项目	初读数	加载				卸载
			第1级	第2级	第3级	第4级	第1级	第2级
小里程侧支点	理论值	—	—	—	—	—	—	—
	实测值	0.00	0.13	0.27	0.71	0.97	1.25	0.37
L/4截面	理论值	0.00	2.98	5.91	8.75	11.23	5.91	0.00
	实测值	0.00	2.11	4.36	6.68	8.93	5.07	0.26
L/2截面	理论值	0.00	4.39	8.69	12.90	16.55	8.70	0.00
	实测值	0.00	3.40	6.93	10.58	14.08	7.93	0.61
3L/4截面	理论值	0.00	2.98	5.91	8.75	11.23	5.91	0.00
	实测值	0.00	2.34	4.73	7.18	9.60	5.24	0.60
大里程侧支点	理论值	—	—	—	—	—	—	—
	实测值	0.00	0.47	0.92	1.57	2.27	1.77	1.13
备注	1、各截面实测值均为左、右两侧测点实测挠度的平均值； 2、表中挠度数据“+”表示下挠，“-”表示上挠； 3、表中L/4、L/2、3L/4截面挠度数据已扣除支点沉降的影响；

通过对上述数据进行分析可以得出以下结论：

在加载过程中，各测点挠度基本保持线性增长，且实测值小于理论值，卸载后挠度基本恢复，说明结构的刚度良好。

4.3 裂缝及其它检查

T梁在加载过程中未发现可见裂缝。

5、 结果评定

5.1结构校验系数评定

结构校验系数即指某一测点的实测弹性变位（应变）值与相应测点的理论计算变位（应变）值的比值：η＝S_e/S_s

。当η<1时，表明结构的工作性能较好，满足使用要求；当η>1时，表明结构工作性能较差，应根据实际情况降级使用，限速限载并进行加固。

在试验工况作用下，主要挠度测点以及应变测点的实测值均小于理论计算值，挠度校验系数为0.81，应变校验系数为0.70，表明T梁的实际刚度及强度较理论大。

5.2相对残余变形评定

相对残余变形S’p为实测残余变形（Sp）与实测总变形（Stot）的比值，S’p越小，结构越接近弹性工作状态，一般要求S’p≤20%。

在试验工况作用下，挠度和应变主要测点相对残余变形均小于20%，表明结构基本处于弹性工作状态，满足规范要求。

5.3裂缝评定

在试验工况整个加、卸载过程中，试验T梁未发现裂缝，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG T J21-01-2015）中5.7.8条的要求。

6、检测结论

综上所述，在整个试验过程中，右幅6-9#T梁工作性能正常，结构处于弹性工作状态，能满足设计荷载（公路-Ⅰ级）正常使用的要求。

作者简介：曾勋勇，（1992.6.9），男，汉，四川资阳，助理工程师，本科，从事公路桥隧检测工作。