基于靜載試驗(yàn)的橋梁檢測及安全性評價(jià)

姚響宇，張賢才，雷旺龍

（1湖南科技大學(xué) 湖南省普通高等學(xué)校土木工程施工過程與質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭411201）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，我國交通運(yùn)輸事業(yè)迎來一個(gè)輝煌燦爛的時(shí)代.自1988年我國大陸第一條高速公路建成通車，截止到2006年底全國高速公路通車總里程已達(dá)4.54萬千米，其中公路橋梁總數(shù)已達(dá)50萬座，并計(jì)劃在2030年建成總規(guī)模約8.5萬千米的國家高速公路網(wǎng)[1].全國每年都有一大批結(jié)構(gòu)新穎、雄偉壯觀、形式多樣的橋梁建成，并且無論在橋梁單跨跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和施工技術(shù)難度方面，我國橋梁建設(shè)技術(shù)水平已進(jìn)入世界先進(jìn)行列.相對于其他基礎(chǔ)設(shè)施，公路橋梁造價(jià)高、投資大、社會效益和影響巨大.橋梁工程是生命線工程，為了確保橋梁的安全性和耐久性，適應(yīng)公路運(yùn)輸載重量不斷發(fā)展的需求，充分利用我國現(xiàn)有公路橋梁的承載能力，使之能繼續(xù)安全地為公路運(yùn)輸事業(yè)服務(wù)，必須對現(xiàn)有橋梁和新建橋梁的承載力做出客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確的評價(jià)，為橋梁竣工驗(yàn)收和橋梁正常運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)依據(jù)，為設(shè)計(jì)理論、施工技術(shù)總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)，為我國橋梁建設(shè)的整體水平提高創(chuàng)造條件，為今后橋梁的養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù).

1 工程概況

公跨鐵立交橋位于武廣客運(yùn)專線DK1452＋500m高豐村處，大橋長110.06m，共六個(gè)墩臺.橋跨布置為20＋25＋3×20m.由六片空心板梁組成的預(yù)應(yīng)力簡支板橋.設(shè)計(jì)荷載：公路－Ⅱ級；人群荷載：3.0kN／m2；橋面寬：凈7m＋2×0.5防撞欄＋2×1m人行道＋2×0.25m欄桿；橋面橫坡：1.5%的人字坡.橋?qū)?0.5m，該橋由中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中鐵大橋局承建.該橋的總體布置簡圖如圖1所示.

圖1 公跨鐵立交橋總體布置簡圖

2010年8月對該橋進(jìn)行了成橋試驗(yàn)檢測.檢驗(yàn)該橋梁整體受力性能和承載力是否達(dá)到設(shè)計(jì)文件和規(guī)范的要求，了解結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，科學(xué)地評價(jià)該橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能和健康狀況.

2 檢測內(nèi)容

2.1 全橋外觀檢查

外觀檢查主要是用肉眼觀察橋梁是否有裂縫、混凝土的剝落、鋼筋外露與銹蝕、構(gòu)件破壞、變形等.通過對空心板、橋臺、支座、蓋梁、橋墩、欄桿等構(gòu)件外觀檢查沒有發(fā)現(xiàn)明顯的問題且整體性較好.橋面鋪裝層較平整，部分位置有裂紋，伸縮縫構(gòu)造不合適，橋面伸縮縫處開裂，防撞欄桿沒有按設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)，沒有設(shè)置上部護(hù)欄.

2.2 混凝土強(qiáng)度檢測

混凝土強(qiáng)度的檢測主要采用回彈法，對公跨鐵立交橋空心板、橋梁墩臺等部位進(jìn)行了檢測.采用中型回彈儀，對各測區(qū)混凝土彈擊16個(gè)點(diǎn)，計(jì)算平均回彈值時(shí)，從16個(gè)回彈值中剔除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，采用余下的10個(gè)回彈值計(jì)算算術(shù)平均值.檢測出各測區(qū)的混凝土回彈值后，再將同一部位的各測區(qū)回彈值取平均值，得到各部位的回彈平均值，考慮新建橋梁，混凝土碳化深度取0mm，再按國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》對回彈平均值進(jìn)行修正[2]，得到混凝土強(qiáng)度推定值 .對公跨鐵立交橋空心板、橋墩臺等部位分別進(jìn)行了回彈試驗(yàn)，每個(gè)部位進(jìn)行了超過10個(gè)測區(qū)檢測，檢測結(jié)果見表1.

表1 混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果

2.3 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是使試驗(yàn)荷載在指定位置對橋梁進(jìn)行加載，測試橋面的撓度、橋梁控制截面的應(yīng)力增量.根據(jù)簡支板橋的基本理論，在試驗(yàn)前計(jì)算出各控制截面的內(nèi)力影響線，并根據(jù)影響線的具體形狀和規(guī)范規(guī)定的荷載試驗(yàn)效率，確定各種工況下所需加載車輛的荷載大小和在橋面上具體布置.并計(jì)算各工況下該橋的內(nèi)力、應(yīng)力和撓度等作用效應(yīng)，按照規(guī)范所規(guī)定的各項(xiàng)容許指標(biāo)，驗(yàn)算試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)的承載力是否達(dá)到要求，判定結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、運(yùn)營安全度[3].

根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法》中的規(guī)定，靜載試驗(yàn)荷載一方面應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面又應(yīng)要求能夠充分滿足結(jié)構(gòu)的承載能力，一般試驗(yàn)荷載效率系數(shù)滿足：

ηq為靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)；Sstate為試驗(yàn)荷載作用下，檢測部位荷載效應(yīng)的計(jì)算值；S為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，檢測部位荷載效應(yīng)的計(jì)算值；δ為設(shè)計(jì)取用的動力系數(shù).在實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)檢測中，我們以校驗(yàn)系數(shù)η來作為評價(jià)橋梁承載力的重要指標(biāo)，η＝Se／Sc，Se為測點(diǎn)的應(yīng)力（或彈性變形）的實(shí)測值，Sc為測點(diǎn)的應(yīng)力（或彈性變形）的理論計(jì)算值[4].

2.3.1 橫向分布系數(shù)計(jì)算

結(jié)合公跨鐵立交橋的實(shí)際情況，橫向分布系數(shù)采用鉸接板法[5]，該方法假定豎向荷載作用下結(jié)合縫內(nèi)只傳遞豎向剪力，根據(jù)求出的剛度參數(shù)，然后查表就能求得橫向分布系數(shù).

由于20m和25m跨徑的空心板剛度參數(shù)相近，所以其橫向分布影響線一致，如圖2所示.

圖2 荷載橫向分布影響線

按橋規(guī)規(guī)定沿橫向確定最不利荷載位置后，計(jì)算跨中荷載橫向分布系數(shù)，如表2所示.根據(jù)簡支板橋的基本理論，經(jīng)分析得，在偏荷載作用下，二號板的受力最大，因此將該橋簡化為僅有一片板的簡支橋，重點(diǎn)對二號板進(jìn)行受力分析.

表2 跨中荷載橫向分布系數(shù)

2.3.2 試驗(yàn)內(nèi)容、方法及測點(diǎn)布置

① 應(yīng)變測試：由于公跨鐵立交橋下的高鐵通過比較頻繁并且是完全封閉式管理，所以只在第5跨跨徑為20m跨中板底緣布置應(yīng)變測點(diǎn)如圖3所示.

圖3 跨中測點(diǎn)及車輛橫向布置

② 擾度測試：對于跨徑為20m的簡支板水準(zhǔn)儀測量撓度，測點(diǎn)沿橋梁縱向分別布置在1／4跨和跨中位置.百分表測量測點(diǎn)位于空心板底部，主要測量跨中位置的撓度，并且在橋臺支座處安裝一百分表，其目的是汽車加載后，測量橋臺處支座沉降如圖3所示；對于跨徑為25m的根據(jù)實(shí)際的情況只能進(jìn)行水準(zhǔn)測量撓度，測點(diǎn)沿橋梁縱向分別布置在1／4跨和跨中位置.

2.3.3 試驗(yàn)荷載及荷載工況

理論上，不論是彎矩、剪力還是軸力都要在其對應(yīng)的最不利位置進(jìn)行加載試驗(yàn).但在實(shí)際處理過程中，可以通過理論計(jì)算對這些最不利的加載情況進(jìn)行合并，以提高試驗(yàn)的效率.根據(jù)確定的控制設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，參照內(nèi)力影響線對相應(yīng)的截面進(jìn)行最不利的試加載，在保證試驗(yàn)荷載效率達(dá)到0.8～1.05之間，確定實(shí)際試驗(yàn)的加載車輛，根據(jù)控制設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)并考慮采用分級加載，達(dá)到最大荷載后，然后逐級卸載，達(dá)到校核前面逐級加載的效果.

靜載試驗(yàn)采用兩種車重的汽車進(jìn)行加載，一種是39.93t對其編號為1號車，另一種是34.55t對其編號為2號車，兩車的前軸與中軸的距離都是4 m，車輛在橋面的布置如圖3所示.本次靜載試驗(yàn)分為2個(gè)狀況，每個(gè)狀況都有4個(gè)工況，一個(gè)狀況是計(jì)算20m跨徑的2號板最大正彎矩；另一個(gè)狀況是計(jì)算25m跨徑的2號板最大正彎矩.

2.3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果分析得，實(shí)測的變形、換算應(yīng)力都小于理論計(jì)算值，表明該橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，安全可靠.應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)和變形校驗(yàn)系數(shù)如表3所示，各測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)都在0.6～0.85之間，說明該橋成載能力儲備較好，彈性恢復(fù)能力較強(qiáng).經(jīng)理論分析可知，在集中力作用下，橫向分布系數(shù)與板的撓度層正比，各個(gè)板的橫向發(fā)布系數(shù)之比與板的擾度之比相近可知，橋梁的橫向連接剛度，結(jié)構(gòu)整體性能好.

2.4 結(jié)構(gòu)動力分析

為了科學(xué)的評估該橋的動力可靠性能，對該橋進(jìn)行了模態(tài)分析，避免引起橋跨結(jié)構(gòu)共振的強(qiáng)迫振動振源（車輛）的頻率與橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率相等或相近[6]，引起過大的共振振幅，危及橋梁的使用安全.通過有限元軟件[7]，簡化模型研究對象為2號簡支空心板，分析求出了該橋20m跨、25m跨的前三階頻率，見表3.對應(yīng)的模態(tài)振型如圖4、圖5所示.通過對簡支空心板頻率分析可知，空心板基頻分別3.49Hz和3.69Hz，遠(yuǎn)離了人行荷載頻率和汽車主振動頻率，因此該橋可不進(jìn)行動載試驗(yàn).

表3 空心板前三階頻率

3 結(jié) 論

（1）橋梁荷載試驗(yàn)是對新建橋梁竣工驗(yàn)收和已建橋梁運(yùn)營時(shí)進(jìn)行承載力評定的重要手段，也是檢測橋梁整體受力性能是否滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，評定橋梁承載能力及安全性最直接和最有效的辦法.

（2）橋梁靜載試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)有兩個(gè)方面.其一是控制測點(diǎn)的實(shí)測值應(yīng)小于相應(yīng)的理論計(jì)算值，即校驗(yàn)系數(shù)小于1并在相應(yīng)的范圍內(nèi)；其二是控制測點(diǎn)的實(shí)測值應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的允許值.

[1]張俊平.橋梁檢測與維修加固[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].2001.

[3]公路鋼筋混凝上及預(yù)應(yīng)力混凝上橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D62[S].2004.

[4]張勁泉.公路舊橋承載能力評定方法及工程實(shí)例[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2004.

[6]R.克拉夫，J.彭津.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].王光遠(yuǎn)譯.北京：科學(xué)出版社，1983.

[7]王瑁成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.