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考虑整体化层的旧PC空心板承载力试验研究

公路2020年1月第1期

HIGHWAYJan.2020No.

考虑整体化层的旧PC空心板承载力试验研究

李兴锋，徐飞萍，孔晨光DB37／T 3366-2018 山东省涉路工程技术规范，王

见原有的整体化层与空心板梁黏结性能良好，共同参， ，旧梁板的实际抗弯和抗剪承载力仍有较大的富余量，能够满足现行荷载标准的要求。 关键词：预应力混凝土：空心板梁：整体化层： 抗弯承载力：抗剪承载力：试验：研究

随着汽车保有量的急剧增长和现代物流的快速 发展，对高速公路的通行能力提出了更高的要求，我 国早期建设的高速公路已经无法满足交通需求，迫 切需要对既有高速公路进行改建、扩建。既有高速 公路桥梁中，空心板梁桥占了相当大的比例。随着 当前荷载等级的提高，旧空心板梁桥的极限承载力 理论上已不满足现行设计规范1.21的要求，对高速 公路的安全运营造成了一定的隐惠，因此改扩建工 程中需要对此类桥梁进行拆除重建。 但从目前的运营状况看，原有空心板梁桥并没 有大规模出现结构性病害或破坏的情况，大部分桥 技术状况良好，表明其实际的承载力状况比理论 上要好，旧空心板均带有一定厚度的混凝土铺装层 整体化层），原设计中作为安全储备，不考虑参与结 构受力，实际上如果整体化层与空心板有效黏结，是 参与结构受力的，对空心板的承载力有一定的贡献， 贡献值多少尚无明确结论。若考虑整体化层的贡 献，旧空心板的实际承载力满足现行规范的要求，对 旧空心板重新加以利用，则可以有效避免拆除重建 造成的资源浪费，节约工程投资。 近年来，有关旧空心板梁的承载力研究已有 定的进展。贾艳敏等3]通过对2片已服役20年的 16m跨径PC空心板进行抗弯承载能力试验，发现 此类梁板仍有良好的耐久性和抗弯承载力；马培培 等研究了混凝土碳化、氯离子侵蚀等因素对旧空 心板梁抗弯承载力的影响：来金龙[5]对已服役20年

的16m跨径PC空心板进行了抗剪性能研究。目 前的研究多是对旧空心板的抗弯或抗剪等单一指标 进行理论计算、试验分析，缺乏系统性的承载力评 价，且对整体化层的实梁试验研究很少，无法对当前 改扩建工程进行有效指导。 本研究依托济青高速公路改扩建项目，通过对 16m跨径旧桥预应力混凝土空心板进行考虑整体 化层的抗弯和抗剪承载能力试验，系统分析此类空 心板梁的实际承载力是否满足现行规范的要求，客 观评价旧空心板梁桥的承载能力状况，为高速公路 改扩建工程的桥梁设计和施工提供参考。

济青高速公路于1993年通车，距今已26年左 右，为适应当前交通需求，进行了改扩建工作。本文 所用梁板为济青高速公路改扩建工程拆除的16m 装配式预应力简支空心板。空心板采用C40混凝 土，预应力钢筋采用$;15（7$5）钢绞线，标准强度为 50OMPa，非预应力钢筋采用ⅡI级螺纹钢筋和I级 钢筋。试验梁横截面图和钢筋布置如图1、图2 所示

本试验选用3片拆除后的梁板，其中1片梁板 用于极限抗弯承载力试验，2片用于极限抗剪承载 力试验。3片梁板均加载至破坏状态，以评估服役 25年的空心板的结构性能。试验梁均带有10cm

单位：cm 图1 试验梁横截面构造

单位：cm 图2预应力钢筋布置

享的整体化层。测点布置及加载方式如下。 （1）抗弯承载力试验。 在空心板的L/4、L/2和支点两侧布置位移传 感器，测试梁在试验过程中的挠度值；在空心板的 /4和跨中位置，腹板和底板各布置3个应变传感 器，测试梁在试验过程中的应变值。 加载时，在跨中布置分配梁，采用两点加载，用 液压千斤顶在分配梁上施加荷载，试验加载布置如 图3所示

图316m跨径空心板抗弯承载力试验加载布置

（2）抗剪承载力试验。 在空心板的加载点、L/4、L/2和支点两侧布置 位移传感器。左右腹板的加载点和支座连线上各布 置3组由应变片组成的直角应变花。 加载采用液压干斤顶单点加载，剪跨比取2.0， 使得空心板最终的破坏形态为常见的剪压破坏，试 验加载布置如图4所示

建民等：考虑整体化层的旧PC空心板承载力试验研究

图416m跨径空心板抗剪承载力试验加载布量置

a）考虑整体化层共同受力（b）不考虑整体化层共同受力

图516m跨径空心板有限元模型

通过建模分析，对试验梁进行设计状态承载能 力验算，计算结果见表1、表2。

表1试验梁设计状态抗弯承载能力验算

表2试验梁设计状态抗剪承载能力验算

由表中数据可知，在现行荷载标准下，16m旧 梁板的抗弯承载能力满足设计要求，但富余量不 大；抗剪承载能力均不满足设计要求，考虑整体化 层共同作用提高了一定的抗剪能力，但仍不能满足 需求。

5.1抗套承载能力试验

将16m跨径预应力空心板梁加载至破坏状态（图 ），以检验其实际的抗弯承载能力。实测跨中弯矩～ 立移曲线、实测跨中弯矩～应变曲线分布如图7、图8 所示。从曲线图中可以看出，整个加载过程中的结构 受力分为3个阶段：弹性工作阶段、塑性发展阶段、结 构破坏阶段。有两个明显的转折点，第一个转折点发 主在加载弯矩702kN·m时，加载点位置下缘出现最 天0.17mm的裂缝，下缘混凝土退出工作，截面内力全 部由预应力钢筋承担，截面位移和应变均产生非线性 变化.结构进入塑性发展阶段：第二个转折点发生在加 载弯矩1730kN·m时，裂缝宽度突然增加，结构破 不。整个试验过程中未见整体化层与空心板梁之间产 生滑动或脱离现象，应为共同受力

图616m跨径空心板抗弯承载能力试验加载破坏

图7跨中弯矩一位移曲线

图8顶板跨中矩~应变曲线

为直观反映出梁体实际抗弯承载力的富余情 兄，图7中的水平线标示出了梁体跨中截面的3个 关键弯矩值，从上到下依次是考虑整体化层参与受 力的设计抗弯承载力1251kN·m、不考虑整体化 层参与受力的设计抗弯承载力1162kN·m和最 大弯矩设计值950kN：m。由于实测抗弯承载力 不包含梁体自重引起的弯矩，以上3个关键弯矩值 为表1中数据扣除了梁体的跨中理论自重弯矩值 （398kN·m）所得。考虑梁体自重，实测抗弯承载 力应为2128kN·m，试验结果对比见表3。

金梁抗弯承载能力试验结果又

5.2抗剪承载能力试验

将2片16m跨径预应力空心板梁加载至破坏 状态（图9），以检验其实际的抗剪承载能力。实测 剪力～位移曲线分布如图10所示。从曲线图中可 以看出，加载初期，加载点的位移随荷载增长呈线性 变化，此时空心板I和空心板Ⅱ均处于线性工作阶 段；空心板1加载至575kN时，支点附近下缘出现 最大0.56mm的斜裂缝，加载点下缘出现最大 0.19mm的竖向裂缝，曲线斜率下降，空心板进入 非线性工作阶段，当荷载达到673kN时，裂缝宽度 突然增加，结构破坏；空心板Ⅱ加载至578kN时， 加载点下缘出现最大0.20mm的竖向裂缝：曲线斜 率下降，空心板进入非线性工作阶段，加载至 624kN时，支点附近下缘出现最大0.23mm的斜 裂缝，当荷载达到780kN时，裂缝宽度突然增加， 结构破坏

图916m跨径空心板抗剪承载能力试验加载破坏

整个试验过程中未见整体化层与空心板梁之间 产生滑动或脱离现象化工园区安全风险排查治理导则（试行）(应急管理部2019年版)，应为共同受力。 为直观反映出梁体实际抗剪承载力的富余情

况，图10中的水平线标示出了梁体跨中截面的3个 关键剪力值，从上到下依次是最大剪力设计值 48kN·m、考虑整体化层参与受力的设计抗剪承 载力432kN和不考虑整体化层参与受力的设计抗 剪承载力360kN。由于实测抗剪承载力不包含梁 本自重引起的剪力，以上3个关键剪力值为表2中 数据扣除了梁体的理论自重剪力值所得。考虑梁体 自重剪力，实测抗剪承载力应为：空心板I为 758kN，空心板IⅡI为865kN，试验结果对比见表4

图10加载点剪力~位移曲线

表4试验梁抗剪承载能力试验结果对比

通过对已服役25年的16m跨径PC空心板 梁，进行当前设计规范下的极限承载能力验算及破 坏性试验，得出以下结论

GB／T 10095.1-2022 圆柱齿轮 ISO齿面公差分级制 第1部分：齿面偏差的定义和允许值.pdf郭建民等：考虑整体化层的旧PC空心板承载力试验研究

（1）抗弯和抗剪承载能力试验，空心板梁加载破 环后，未见整体化层与梁板之间产生滑动或脱离现 象，整体化层与梁板共同受力。 （2）既有空心板的极限抗弯承载力理论值满足 当前设计规范要求，富余量分别为16%（不考虑整 本化层参与受力）和22%（考虑整体化层参与受 力）；实测极限抗弯承载力富余量较大，为58%，包 含整体化层的贡献。 （3）既有空心板的极限抗剪承载力理论值，无论 考虑整体化层贡献与否，均不满足当前设计规范要 求；实测极限抗剪承载力有一定的富余量，空心板I 富余量为34%，空心板Ⅱ为57%，包含整体化层的 贡献。 综上所述，16m跨径PC空心板梁已服役26 年，随着荷载等级的提升，其极限承载能力理论上已 不满足当前设计规范的要求，但通过试验可知，其实 际的极限抗弯、抗剪承载力仍有一定的富余，满足当 前高速公路安全运营的需求。现有的整体化层对空 心板的承载力有一定的贡献，未来需要对整体化层 参与受力的机理进行深入研究，为既有旧空心板梁 的再利用及维修加固设计提供参考