简支箱梁静载试验方案

第页共20页**智能简支箱梁静载试验方案1概述1.1项目背景交通运输是国家经济增长和社会发展的重要支撑和载体，高架桥梁是交通工程的主要结构形式。为保证交通快速运行，轨道交通土建结构一般处于全封闭式状态，其安全检测主要是依靠采用人工判断的巡检方式。对长大桥梁，目前采用的自动监测技术是在桥梁体表安装监测传感器、电缆，需要在桥梁架设完成后逐点安装测试原件，工作量大，质量要求高，受到的影响因素多。在长期运营过程中，其测试原件受到风、霜、雨、雪、天气变化的影响，耐久性能和测试精度都受到影响。为克服传统自动监测技术的缺点，本次采用了在预制梁生产时预埋传感器的方式，使传感器的使用寿命同结构寿命相同，大幅度减少测试原件的安装工作量，同时，测试原件浇筑在混凝土中，能减少外界环境变化对传感器灵敏度和寿命的影响，与此同时，传感器在构件体内，对混凝土徐变收缩、温度变化、外力影响都能很好监控。使构件从预制养护到服役结束整个全寿命期间具有自感知特性，并通过有线或无线的方式构建相应的智能监测体系，实现整个结构长期在线监测。课题依托**中低速**交通工程静载破坏试验梁项目，开展传感器甄选、软件分析、传输测试等研究工作。探索基于光纤传感器、薄膜压力传感器和本征自感知水泥基材料的智能传感元器件制作和安装工艺，研究各类传感元器件在不同荷载阶段的力学响应，为其工程应用技术基础数据和技术工艺支撑。1.2试验梁结构**中低速**交通工程标准25m简支箱梁，计算跨度24.2m，单箱单室截面，梁高2.1m，箱梁顶面宽1.3m，底面宽1.4m。梁端底板及腹板局部向内侧加厚，支座中心至梁端0.37m，箱梁横桥向每线下设一支座。单根箱梁截面如图1所示。钢筋布置如图2所示，预应力筋布置如图2-1所示。(a)跨中一般截面(b)支点截面图1单根箱截面图(cm)图2钢筋布置图图2-1预应力筋布置图2试验目的与内容2.1试验目的（1）研究一片25m简支箱梁在弹性阶段和进入塑形阶段后箱梁应力分布状态、跨中挠度和梁端转角随荷载的发展规律；研究箱梁抗弯、抗剪和抗扭性能；研究在破坏阶段箱梁裂缝开展规律，最终获得单片箱梁的抗弯极限承载力。（2）研究智能传感元器件制作、安装工艺及其试验全过程的力学响应特征。（3）研究光纤光栅智能梁固化过程及受荷作用下的温度和应力测试，验证智能梁从施工到运营应力、温度一体化监测的可行性。2.2试验内容（1）单片简支箱梁使用阶段静力性能测试及梁破坏性试验。（2）简支箱梁运营过程中关键部位应力和温度监测试验。3测点布置3.1静力性能测试及梁破坏性试验3.1.1应变测点布置（1）预埋式应变计浇筑梁之前，在跨中A-A截面（如图3（a）所示）布置预埋式应变计，测试静载作用下25m简支梁的纵向正应力，内部应力实际测点布置见图3（b）所示，传统应变计：7个（S1-S7），在相邻位置布设光纤光栅：7个（SF1-SF7），与传统应变计测试结果进行相互对比。B-B、C-C和D-D截面梁底横向跨中处预埋传统应变计：3个（S8-S10）；光纤光栅：3个（SF8–SF10）。共布置预埋式传统应变计和光纤光栅应变计各10个测点。（2）表面应变计和应变片实际测试时，在跨中截面和两侧各1/4跨截面补充安装表面应变计（光纤光栅为主）和应变片，测试截面位置见图，其中B-B截面表面应变计位置见图3（c）所示，A-A、C-C和D-D截面表面应变计位置与之相同。表面共布置12个光纤光栅应变计，4个辅助验证传统表面应变计。应变片布置示意如图4所示，支座中心上方梁两侧面布置各布置3个竖向应变片，两端共布置12个竖向应变片。A-A、B-B、C-C和D-D每个断面两侧共布置10个应变片，上表面布置3个应变片，下表面布置5个应变片，四个断面共72个应变片。共布置84个表面应变片测点。（a）截面划分示意图（b）预埋式应变计测点布置（c）表面应变计测点布置图3应变计测点布置（cm）图4表面应变片测点布置(cm)3.1.2位移测点布置图5位移测点布置示意图为了测试整个加载过程中沿梁纵向方向竖向位移分布情况，位移测点在加载位置正下方以及支点位置处各布置两个，共布置14个竖向位移测点，如图5所示。3.1.3梁端转角测点布置在两侧梁端支座附近采用倾角计，测试梁端转角。配套4-6个光纤光栅倾角传感器进行测试试验。图6梁端转角测点布置示意图3.1.4温度测点布置跨中截面与预埋式传感器同样位置布置7个温度测点，在顶部横向跨中布置3个温度传感器测点，共布置10个温度测点，如图7所示，实际测试中光纤光栅和传统温度传感器同时布置。图7温度测点布置示意图。3.1.5分布式光纤传感梁底部布置3条、梁顶部布置1条FRB分布式光纤传感。根据现场情况在跨中一定范围沿垂向布置2-3条较短的分布式光纤传感，以测试垂向裂缝发展过程。3.1.6其他智能传感器测点根据现场实际情况，在箱梁受压力、加载区和预应力锚固区等位置，布置水泥本征自感知传感器和薄膜压力传感器数个点，进行压应力相关测试。3.2运营过程中关键部位应力和温度监测试验3.2.1应变测点布置上一节中四个断面上下地面各布置预埋式传统应变计和光纤光栅应变计1个，共计8个传统应变计和8个光纤光栅应变计。表面应变计和应变片根据后续试验需要再进行详细布置。3.2.2位移和倾角传感器测点布置根据后续试验需要再进行详细布置。3.2.3温度测点布置与3.1.4中相同，共布置10个温度测点，如图7所示，实际测试中光纤光栅和传统温度传感器同时布置。3.2.4分布式光纤传感梁底部布置1条FRB分布式光纤传感。3.2.5其他智能传感器测点根据现场实际情况，在箱梁受压力、支座正上方和钢轨枕支点位置正下方以及钢轨枕混凝土支点，布置水泥本征自感知传感器和薄膜压力传感器数个点，进行压应力相关测试。3.3测点统计3.3.1传统传感器预埋式应变计：10+8=18个表面式应变计：4个位移计：14个倾角传感器：2个应变片：84个温度传感器：10+10=20个3.3.2光纤传感器预埋式光纤光栅：10+8=18个表面式光纤光栅：12个光纤光栅倾角传感器：4个光纤光栅温度传感器：10+10=20个分布式光纤传感器：25m3.3.3其他传感器根据需要待定。4静力性能测试及梁破坏性试验相关工作4.1准备工作4.1.1试验梁准备工作安排本试验拟在中铁二十三局集团有限公司****梁厂（项目部）进行，梁现场制作采用与实际梁相同的施工图纸、原材料、施工工艺与养护条件。2019年9月底，上海应用技术大学（课题组）通过实地考察，同项目部深入沟通后，确定了如下工作安排。1）箱梁混凝土浇筑前项目部绑扎钢筋需要2-3天时间，课题组安装传感器需要1-2天时间。项目部开始绑扎钢筋时，课题组就位现场进行相关准备工作。该阶段是试验成败的关键环节之一，不具备可逆性，双方需进行充分沟通和交流，确定试验保质保量完成。主要工作如下：为了更好测试梁试验全过程中受力特性，箱梁浇筑前需在箱梁结构内预先埋设了传统应变传感器、光纤传感器和温度传感器等传感元件；安装数量、安装工艺和实施主要由课题组及相关合作单位负责，项目部负责配合钢筋笼吊装、传感器绑扎和部分焊接等协调工作。为了便于正式试验前表面应变计安装，需要预埋钢筋或套筒（统称预埋件）露出梁地面；预埋件数量和安放位置有课题组提供，项目部负责安装就位。为了测试更全面的数据，课题组拟在预埋式应变传感器相关位置增设钢筋应变测试，通过贴片方式实现，现场需要对底部等位置钢筋进行简单打磨和贴片工作，需要项目部进行钢筋笼吊装等协调配合工作。所有预埋式传感器引线从梁顶部引出，钢筋笼吊装等环节切记勿碰伤和折断导线，课题组相关测试人员在钢筋笼吊装进模具前后需对导线通路进行全面检查。同批次钢筋按要求提供材料性能检测数据或同期进行相关材料性能试验。2）浇筑混凝土浇筑混凝土需要1天时间。浇筑混凝土前，课题组与项目部协同保护好导线，避免脏污、出线端头未引出等。混凝土浇筑过程注意保护传感器及传感器导线。同批次混凝土材料按要求浇筑一定数量试块，课题组配合项目部进行相关工作。实施养护前，注意导线引出，便于养护期间测试数据。浇筑完成后，课题组测试1次数据，测试期间项目部需提供一下电源（下同）。3）混凝土养护试验梁在模具中采用喷水的方法养护3~4天，养护期间在摸具台上测量混凝土的温度和压力，并记录数据。课题组和项目部协商项目期间测试温度和应力数据，初步计划每2小时一次。按相关要求，部分混凝土试块与试验梁同时养护。拆模0.5天，拆模期间主要保护传感器导线。4）张拉、封锚张拉应力1天，压浆、封锚2天。封锚前后课题组测试数据。5）试验梁强度达标期间10天。将试验梁放置到支座上，经过10天左右试验梁强度达到要求；期间，课题组每天测试数据，测试间隔根据数据记录情况而定。6）中张到加载前需要30天左右。中张前后需要测试数据；期间，课题组每天测试数据，测试间隔根据数据记录情况而定。期间，课题组对试验采集平台软系统进行相关集成。7）试验反力架等安装项目部按要求进行试验反力梁安装，试验梁架设，试验梁底部应保证试验时观测裂缝，初步要求净空不小于1.5m。图8加载场地图9场地示意图图9中，蓝色区域为**梁摆放位置，长26m，宽4m。绿色区域为荒地，长26m，宽13m。黄色区域为远离项目办公区道路，宽6m。其他工作如下：（1）校验试验用精密压力表（0.4级）、百分表；（2）静载试验台划线复核；（3）准备试验用百分表架、上下铁板、木板等；（4）试验用千斤顶清理、编号、试机；（5）试验用千斤顶校正；（6）试验用梁吊装就位；（7）千斤顶作用位置定位划线复核；（8）千斤顶落位安装；（9）油泵、油表安装，油管连接及检查；（10）试验梁体外观检查及裂缝标注；8）试验前准备工作待项目部将反力架和试验梁安装调整完成就位后，课题组开展试验前相关准备工作，大概需要3-4天。（1）对试验梁进行画线，并且布设结构表面应变计和应变片及倾角仪器等设备；（2）位移计百分表安装，支架台座需要项目部协调，具体形式带试验反力架和梁架设到位后而商定。（3）试验采集设备设施安放帐篷或板房搭建。课题组与项目部具体商定。（4）导线连接，设备调试。（5）课题组提供试验计算书和操作手册，项目部进行审核。9）调试试验加载和测试系统2天。加载系统尤其是千斤顶调试。千斤顶使用前项目部保证按要求标定。课题组进行测试系统完整调试，软件系统展示平台调试。10）预备试验1-2天．为保证正式试验的顺利实施，进行弹性阶段预备试验。11）正式试验1天。按要求做好试验加载、数据采集、现象观测等工作。根据实际需要，布设宣传标语和展板进行展示。12）其他运营梁在梁浇筑前至达到强度期间与试验梁同样试验。运营梁后期其他试验待定，希能尽可能做一些有意义试验。试验操作人员安排：（1）课题组派1名研究生长驻项目部，自绑扎钢筋安放传感器至试验结束，负责数据测试等相关工作。（2）浇筑混凝土前（3-5天），课题组将派4-6名工作人员参加。（3）试验前准备工作至试验结束（10天左右），课题组将派4-6名工作人员参加。4.1.2试验设备及工具序号设备名称规格型号单位数量备注1液压千斤顶台12其中2台备用2油泵及输油管与液压千斤顶配套台103精密油表0.4级块12其中2台备用4油压表1.0级块7其中2台备用5钢板300㎜×300㎜×27㎜块10支垫油顶6其他测试传感器和仪器设备上海应用技术大学准备混凝土试块、钢筋材料性能试验相关设备由项目部提供，课题组辅助实施试验。4.1.3检测设备及器具试验所用计量设备、仪器、仪表、钢卷尺等均需经法定计量部门检定合格，且在有效期内使用。测量跨度用钢卷尺应经悬空检定。（1）百分表（0~30mm）12块、（0~50mm）2块（要求：百分表的最小分度值不大于0.05mm）；（2）精密压力表（0.4级）12块（要求：压力表精度等级应不低于0.4级，最小刻度值应不大于0.2MPa，最小表盘直径应不小于150mm）；（3）普通放大镜（不低于5倍，直径不小于50mm）用于检查梁体混凝土裂纹；（4）刻度放大镜（不低于10倍，读数精度为0.01mm）用于量测裂纹宽度。4.1.4千斤顶及油表校正①静载试验前，必须对试验所用的液压千斤顶、油泵及配套油表进行校正。当采用压力表控制试验荷载时，试验前应将千斤顶与压力表配套后在精度不低于三级的试验机上进行标定。压力表应分级标定，级差应不大于加载最大值的10%，加载速度应不大于3kN/s，标定的最大荷载宜不大于加载最大值的1.1倍，且持荷10min。②千斤顶与压力表配套标定时，应采用千斤顶顶压试验机或压力传感器的标定方式，其活塞的外露应约等于最大荷载时的外露量；各级荷载下应以压力表的表盘整读数对应压力机的表盘读数。③配套标定数据应进行线性回归，线性回归相关系数应不小于0.9999，并根据加载等级计算各级荷载下的表示值。4.1.5桥梁支座安装箱梁静载试验应采用KTPZ-Ⅶ-3500型盆式橡胶支座，其技术要求应满足《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件》规定。箱梁四个支座安装不平整度不得大于2mm。支座安装后的实测梁跨度应符合标准要求。4.1.6桥面就位①试验梁移入静载试验台座对中后,在梁顶标出两个腹板中心线作为梁体的加载中心线,并在每一加载点铺设垫层及钢座板。钢座板用水平尺找平后，移入千斤顶。②加载前应将梁体表面清洗干净，用10倍放大镜在梁体跨中两侧1/2跨度范围内的下缘和梁底面进行外观检查；对初始裂缝（表面收缩裂缝和表面损伤裂缝）及局部缺陷用蓝色铅笔详细描出。③梁体挠度测量部位应在跨中及支座中心两侧，测量挠度的支座应牢固、稳定、且不应受加载时试验台座变形的影响。4.1.7加载设备安装①采用10点加载方式，千斤顶选型和安装由项目部负责。②千斤顶安装布置示意图图10千斤顶加载示意图③各千斤顶中心与梁顶加载中心线纵向横向位置偏差均应不大于10mm；各千斤顶中心与加力架横梁中心纵向偏差均应不大于10mm，且应垫实两者之间的空隙。4.1.8编制试验箱梁加载计算书根据设计院提供的箱梁静载试验技术参数、千斤顶校正参数及箱梁混凝土龄期等资料，编制箱梁加载计算书，并进行认真复核。4.1.9场地其他要求①试验场区安根据需要布置桌椅等。②采用彩条布临时搭设简易棚用以安放试验仪器。4.2试验程序及方法①试验梁的加载分两个循环进行。以加载系数k表示加载等级，加载系数k是加载试验中梁体跨中承受的弯距与设计弯距之比。试验准备工作结束后梁体承受的荷载状态为初始状态；基数级下梁体跨中承受的弯距指梁体质量与二期恒载质量对跨中弯距之和。②各循环的加载等级：a.第一加载循环：初始状态→0.60（3min）→基数级（3min）→0.8（3min）→静活载级（3min）→1.00（20min）→静活载级（1min）→0.8（1min）→基数级（1min）→0.60（1min）→初始状态（10min）b.第二加载循环：初始状态→0.60（3min）→基数级（3min）→0.8（3min）→静活载级（3min）→1.00（5min）→1.05（5min）→1.10（5min）→1.15（5min）→1.20（20min）→1.15（5min）→1.10（5min）→1.05（5min）→1.00（5min）→静活载级（5min）→0.8（5min）→基数级（5min）→0.60（5min）→初始状态当在第二加载循环中不能判断是否已出现受力裂缝时，应进行受力裂缝验证加载。验证加载从第二加载循环卸载至静活载级后开始。c.验证加载（第三类）：静活载级（5min）→1.00（5min）→1.05（5min）→1.10（5min）→1.15（5min）→1.20（5min）→1.10（1min）→静活载级（1min）→基数级（1min）→0.60（1min）→初始状态注：若基数级大于0.60级，则取消0.60级。d.破坏加载（第三类）：初始状态→0.60（5min）→基数级（5min）→0.8（5min）→静活载级（5min）→1.00（5min）→1.5（5min）→2.0（5min）→2.5（5min）→3.0（5min）→3.5（5min）→4.0（5min）→4.5（5min）→4.6（10min）→4.7（10min）→4.8（10min）→4.9（10min）→5.0（10min）……(破坏为止)首先进行第一类加载循环，累计进行3次，观察前次加载历史对后次加载时梁体变形的影响，检查梁体是否出现裂缝。进行第二类加载循环，累计进行3次，注意观察裂缝的发生和发展情况，实时记录混凝土应变及梁体变形情况，观察卸载时梁体裂缝的“愈合情况”。验证简支梁设计的安全系数。一旦出现受力裂缝，则进行第三类验证加载。进行第四类加载循环直至梁体破坏，观测裂缝的出现和发展过程，对裂缝采用红色铅笔标注，并测量裂缝宽度。注：当加载荷载与位移曲线呈现下降趋势，则视为破坏而停止加载。③各千斤顶宜同速、同步达到同一荷载值；加载速度不宜于超过3kN/s。④每级加载后均应仔细检查梁体下缘和梁体有无裂缝出现。如出现裂缝或（和）初始裂缝的延伸，应用红铅笔标注，并注明荷载等级，量测裂缝宽度。⑤每级加载后均应测量梁体跨中和各支座中心截面两侧竖向位移变化，以同一截面的两测平均值分别作为相应截面的竖向位移量或支点沉降量。跨中截面的竖向位移量减去支座沉降影响量即为该级荷载下的实测挠度值。所有测试数据应注意及时备份。⑥对每级加载下的实测挠度值，应仔细复核，发现异常立即查明原因。4.3评定标准4.3.1梁体刚度合格的评定实测静活载挠度值（f实测）为静活载级下实测挠度减去基数级下实测挠度值。实测静活载挠度值合格评定标准：f实测≤1.05（f设计/ψ）。4.3.2全预应力梁抗裂合格和允许出现有限拉应力的预应力度合格的评定。①在K=1.20加载等级下持荷20min，梁体下缘底面未发现受力裂缝或下缘截面（包括倒角、圆弧过渡段）的受力裂缝未延伸至梁底边，评定允许全预应力梁抗裂合格。②在K=1.00加载等级下持荷20min，梁体下缘底面未发现受力裂缝或下缘截面（包括倒角、圆弧过渡段）的受力裂缝未延伸至梁底边，评定允许出现有限拉应力的预应力梁顶应力度合格。4.3.3允许出现裂缝但限制裂缝宽度的预应力梁预应力度和裂缝宽度的合格评定。①在K=1.00加载等级下持荷20min，梁体下缘底面未发现受力裂缝或下缘截面（包括倒角、圆弧过渡段）的受力裂缝未延伸至梁底边，评定预应力度和裂缝宽度合格。②在K=1.00加载等级下持荷20min，裂缝宽度（对采用钢丝、钢绞线的梁）或（对采用Ⅳ级精轧螺旋钢筋的梁）；裂缝重新张开时加载荷载等级大于等于0.90倍的设计消压荷载等级，且裂缝重新张开时加载荷载等级大于的0.70级；评定预应力度和裂缝宽度合格。②在K=2.00加载等级下持荷20min，还未能够达到梁体的极限承载力，评定允许有限拉应力的预应力度合格。4.3.4梁体刚度不合格的评定当最后一轮加载循环时的实测静活载挠度值不满足f实测≤1.05（f设计/ψ）规定时，则梁体刚度不合格。4.3.5全预应力梁抗裂和允许出现有限拉应力的预应力梁的预应力度不合格的评定①当在某加载等级下（最大加载等级除外）的持荷时间内，梁体下缘底面发现受力裂缝或下缘侧面受力裂缝延伸至梁底边，按加载程序规定加至后一级荷载后，受力裂缝延长或在上述部位又发现新的受力裂缝，即评定在该加载等级与前一级荷载等级为抗裂等级，全预应力梁抗裂不合格或允许出现有限拉应力的预应力梁预应力度不合格。②当在某加载等级加载至后一级加载等级的过程中，梁体下缘底面发现受力裂缝或下缘侧面受力裂缝延伸至梁底边，按加载程序规定加至后一级加载等级后，受力裂缝延长或在上述部位又发现新的受力裂缝，即评定该加载等级为抗裂缝等级，全预应力梁抗裂不合格或允许出现有限拉应力梁预应力度不合格。③当在最大加载等级的持荷时间内，梁体下缘底面发现受力裂缝或下缘侧面受力裂缝或下缘侧面受力裂缝延伸至梁底边，应在持荷20min后，对全预应力梁分级卸载至静活载级，对允许出现有限拉应力的预应力梁分级卸载至K=0.60级，按加载程序规定重新加载至最大加载等级。重新加载至最大加载等级过程中裂缝张开，即评定该加载等级为抗裂等级，全预应力梁抗裂不合格或允许出现有限拉应力的预应力梁预应力度不合格。对全预应力混凝土梁，梁体竖向刚度和预应力度均合格，评定该梁静载弯曲试验合格，否则为不合格。当加载等级超过2.0时，梁体没有出现明显破坏时，则表示梁体承载能力合格。4.4静载试验记录和试验报告静载试验记录表格和试验报告采用TB/T2092-2003《预应力混凝土铁路简支梁静载弯曲抗裂缝试验方法及评定标准》中规定的格式。4.4.1试验记录的主要项目①试验梁、支座、试验装备、设备、仪器安装记录；②千斤顶与油压表配套标定记录；③各级加载数据及加载时间记录；④支座沉降和跨中竖向位移测量及绕度记录；⑤裂缝部位、裂缝宽度与荷载等级关系的记录。4.4.2静载弯曲试验报告表静载弯曲试验报告主要内容包括：①检验单位和受检企业名称；②受检产品型号和规格；③检验类别；④检验日期；⑤检验项目和检验依据；⑥抽样办法和抽样数量；⑦试验设备和器具、仪表；⑧加载图式和加载程序；⑨检验结果、评定标准和检验结论；⑩检验报告审批签章。4.5收尾工作静载试验结束后，注意数据备份处理，施工组应负责将加载设备、桌椅等设施全部收回，并负责试验场地的清洁工作。4.6安全及防护措施（1）桥梁吊装作业严格按照项目部相关规定执行，充分保证人员安全。（2）试验期间保证设备设施安全，试验设备安装就位后，要安排专人看守。4.7分级加载载荷计算（1）等效集中荷载采用10点加载，左右对称布置，施加在腹板中心线上，各荷载纵向间距均为4m，如图11所示。图11箱梁纵向加载示意图（mm）根据加载图式计算a值跨中弯矩M为则M=P×a，即a=M/P式中：R——支点反力（kN），R=5P；L——计算跨度（m）；P1——各加载点所施加的荷载（kN）；Xi——各加载点至跨中距离（m）；a——等效力臂（m）；根据设计资料和相关试验规范可以计算加载点P加载值，见表1~表2。表1静载弯曲试验加载值单箱单室轨道梁加载等级（K值）0.60基数级Ka0.80静活载级Kb1荷载P（kN）26.3642.9863.2393.66100.1P跨中弯矩（KN-m）962.062812.012307.873418.733653.67加载等级（K值）1.051.101.151.20荷载P（kN）109.32118.53127.75136.97P跨中弯矩（KN-m）3990.134326.584663.034999.48表2箱梁开裂与破坏状态检验加载值单箱单室轨道梁加载等级（K值）0.60基数级Ka0.80静活载级Kb