1. 引言
我国在役桥梁中小跨径桥梁占比较大，其中空心板结构最为常见 [1] 。但是空心板桥的铰缝损伤十分普遍 [2] ，影响车辆运行，威胁行车安全。导致交通运营能力降低及后期管理运营、维修改造成本大大增加。为提高小跨径桥梁的使用年限，提高其耐久性，减小后期投入，提高运营能力，从根本上解决空心板桥的问题，将空心板梁的双支座进行了缩减，去掉其铰接形式，采用预应力矮肋T梁桥代替铰接空心板梁桥的形式。由于其具备施工便捷、结构高度小、受力合理及耐久力好等优点，可从构造上解决空心板梁结构的弊病，为小跨径桥梁结构提供更优的选择。
国内一部分学者对矮肋T梁桥与空心板桥进行比较 [3] [4] [5] ，矮肋T梁桥造价更低，制作、安装更加方便。2012年席进 [6] 、王耀明 [7] 对矮肋T梁桥细部设计进行了参数优化。利用相似理论，国内学者对于矮肋T梁受力性能的研究多采用的是缩尺模型，缩尺模型虽然考虑了材料、几何、边界等相似条件，能够反应出一定规律，但试件尺寸较小，施工条件与现场会有较大的差异，需根据形似比来推算原型构件的受力响应，就原型构件的内力及变形的定量值而言，会存在一定的误差。而足尺模型能够真实反应实际构件的受力性能及施工状况，试验结果具有更强的直观性和说服性。为了使预应力矮肋T梁桥能够更好地服务于更广范围内的小跨径桥型，采用足尺静载试验对桥梁整体的安全性能有着及其重要的意义。鉴于此，我们开展了对预应力矮肋T梁的静力性能的研究，通过其破坏过程，裂缝发展及破坏形态等，研究其抗弯性能，为此类构件的工程应用提供理论基础。
2. 试验概况
2.1. 试验梁参数设计
本次试验以某桥梁结构中的上部结构为原型，采用足尺模型对试验梁构件进行设计 [7] 。试验梁梁长15.96 m，计算跨径14.96 m，梁高0.85 m，梁宽1 m，跨中梁肋宽0.3 m，梁端肋宽0.4 m，翼板厚0.16 m。采用后张法张拉预应力筋，其中，钢绞线采用强度为1860级Φ15.24 (7Φ5)钢绞线，纵向受拉主筋采用直径为Φ22的HRB335，箍筋、架立钢筋均采用HRB235其直径为Φ10。试验采用常规的两点加载(加载点位于两个三分点处)的加载方式，梁体破坏状态以试验梁彻底失去承载能力为标准。该试验梁的细部尺寸见图1。
Figure 1. Test beam half elevation and detail size and steel bundle layout (unit: mm)
图1. 试验梁半立面和试验梁细部尺寸及钢束布置图(单位：mm)
2.2. 材料力学性能
在构件厂预制制作的同时，预留一部分材料进行材料性能试验，按照现有规范实验所得钢筋、预应力筋材料力学性能如表1中所示。
Table 1. Material characteristics table of test beam
表1. 试验梁材料特性表
2.3. 试验加载方案
进行试验前，为了确定加载分级。先根据单梁设计图纸，计算单梁的抗弯极限承载能力，在计算试验加载的最大值。为模拟试验过程，先用Midas Civil建立试验梁的非线性有限元模型 [8] ，对试验的过程进行仿真分析，确定试验荷载。
验采用的加载方式是常规的两点加载，试验装置示意图如图2中所示。支座一端采用滚动支座，另一端采用铰支座。试验挠度测点分别布置于支点、L/4、跨中断面及3L/4，挠度、应变测点布置示意图见图3~5。每次加载完成后，持续一定时间待梁体稳定后进行应变、挠度采集，对裂缝进行测量记录。检查构件是否产生裂缝，记录裂缝宽度长度及位置。
Figure 2. Layout of test equipment (unit: mm)
图2. 试验装置图(单位：mm)
Figure 3. Layout of deflection measurement points (unit: mm)
图3. 挠度测点布置图(单位：mm)
Figure 4. Layout of mid-span cross-section concrete strain measuring points (unit: mm)
图4. 跨中横断面混凝土应变测点布置图(单位：mm)
Figure 5. Layout of longitudinal steel bar strain measuring points (unit: mm)
图5. 纵向钢筋应变测点布置图(单位：mm)
根据文献 [9] 计算，不计试验梁梁体自重，其开裂荷载Pcr为495.46 kN，极限荷载Pu为874.12 kN。
对比梁分级加载
1) 试验开始前，需要对试验梁进行三级预加载。荷载步长为27.9 kN；
2) 试验阶段先分8级加载至0.9Pcr’ = 222.9 kN，每级增加27.9 kN；
3) 当加载达到开裂试验荷载值的90%后，按每级8 kN加载，直至试验梁开裂；
4) 当试验梁开裂后，每级荷载值取24.5 kN的级距进行加载，直至0.9Pu’ = 393.4 kN；
5) 当加载达到承载能力试验荷载技术值的90%后，按每级11kN加载至结构达到极限承载能力标志；
6) 卸载时的每级卸载值为两级加载值的总和，且保证每级卸载后在构件上的试验荷载剩余值宜与加载时的某一荷载值相对应。
根据《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-92) [10] 规定，确定该结构构件是否达到或超过承载能力极限状态。
3. 试验数据分析
3.1. 试验梁受弯破坏过程及形态
试验梁在达到386.49 kN的荷载值之前，一直处于非常良好的弹性工作状态，跨中挠度为24.34 mm，钢筋应变随荷载变化的规律也呈线性，混凝土应变符合平面假定。当荷载值超过了386.49 kN，混凝土的中性轴有了稍许的改变，其下缘混凝土出现了竖向裂缝，导致很小部分混凝土退出了工作状态，确定了试验梁的开裂荷载为386.49 kN。
当试验荷载达到539.55 kN，跨中挠度为50.9 mm，此时试验梁呈现出明显的弹塑性工作状态，最大的裂缝宽度达到了0.2 mm。试验梁的荷载–位移曲线和混凝土的应变曲线均存在明显的拐点和塑性变化段，此时的结构表现出了一定延性。
当荷载持续增大，试验梁的挠度及裂缝宽度持续增大，裂缝数量持续增加。加载到一定程度是，预应力筋开始承担绝大部分荷载，梁低普通受拉钢筋开始屈服，梁体下挠速度明显加快。在试验过程中，裂缝发展比较稳定，首先出现在跨中纯弯段梁底的竖向裂缝向上发展，宽度增加。随着荷载的增加，部分裂缝汇合，加载至737.91 kN时，主裂缝发展速度明显增加，弯剪区已经有明显斜裂缝产生，当达到913.55 kN时，梁体裂缝已经延伸到了翼缘处，跨中挠度为381.13 mm。最终试验梁主裂缝和跨中竖向缝延伸到翼缘、加载点附近翼缘混凝土被压碎，达到彻底失效状态。试验梁现场破坏阶段加载情况及破坏状态见图6、图7；同时，此阶段下的钢筋应变片几乎全部失效，由于裂缝扩展，混凝土应变片失效。混凝土部分测点应变大小见表2。
Table 2. Partial strain measurement point values table of test beam
表2. 试验梁部分应变测点值(单位：με)
Figure 6. Photos of the ultimate failure of the test beam
图6. 试验梁最终破坏照片
Figure 7. Crack layout of beam body in failure stage
图7. 梁体破坏阶段裂缝图
根据每级荷载所测裂缝数据，在实验过程中，其裂缝宽度的平均值随着荷载的增加而增加，呈直线增长关系。其线性回归见图8。
试验梁的荷载–裂缝线性回归曲线为：
Y = 1221.8 x + 305.9
线性相关系数：R = 0.9781，说明裂缝平均宽度与荷载大小具有很好的线性相关性。
3.2. 刚度分析
在各级试验荷载作用下，各测点挠度曲线见图9、图10。
试验荷载小于开裂荷载前，试验梁处于弹性工作状态，位移与荷载呈线性关系；至荷载达到开裂荷载时，挠度载突然增大，梁体开裂。随后随着荷载的增大，裂缝处于稳定的发展阶段；荷载至539 KN附近时，裂缝进入快速发展阶段，中性轴快速上移，主梁挠度迅速下降；至荷载达973.9 KN时，下缘钢
Figure 8. Relationship curve between load and crack width of test beam
图8. 试验梁荷载–裂缝宽度关系
筋开始屈服，随后上缘混凝土压碎；破坏时，主梁跨中挠度接近381.13 mm，反应出预应力矮肋T梁的竖向刚度偏低。
3.3. 应变分析
在试验荷载作用下，混凝土应变沿梁高分布总体符合平截面假定。下缘混凝土开裂后，随着荷载的增大，下缘混凝土拉应变增大，中性轴不断上移，上缘混凝土压应变不断增大。至539 KN附近时，裂缝进入快速发展阶，钢筋应变快速增加混凝、钢筋应变见图11、图12；至973.9 KN附近时，下缘钢筋屈服，随之上缘混凝土被压碎，梁体完全破坏。
Figure 11. Concrete strain distribution curve along beam height
图11. 混凝土应变沿梁高分布
4. 结论
本文通过16 m预应力矮肋T梁足尺静力试验及数据分析，得出了以下结论：
1) 试验荷载小于开裂荷载前，试验梁处于弹性工作状态，位移与荷载呈线性关系；至荷载达到开裂荷载时，挠度突然增大，梁体开裂。随后随着荷载的增大，裂缝处于稳定的发展阶段；荷载至539 KN附近时，裂缝进入快速发展阶段，中性轴快速上移；至荷载达973.9 KN时，下缘钢筋开始屈服，随后上缘混凝土压碎。
2) 荷载至539 KN附近时，裂缝进入快速发展阶段，中性轴快速上移，主梁挠度迅速下降；至荷载达973.9 KN时，下缘钢筋开始屈服，随后上缘混凝土压碎；破坏时，主梁跨中挠度达到381.13 mm，反应出预应力矮肋T梁的竖向刚度偏低。
NOTES
*通讯作者。