基于靜力荷載試驗(yàn)的橋梁狀態(tài)評估

李永琴

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

通過靜力荷載試驗(yàn)進(jìn)行橋梁狀態(tài)評估，在好多國家均有使用，尤其是針對新建橋梁。但是各國規(guī)范對靜力荷載試驗(yàn)的規(guī)定并不完全一致[1-2]。為此，本文以某新建連續(xù)梁橋?yàn)槔?，闡述我國規(guī)范靜力荷載試驗(yàn)方法，包括加載確定、現(xiàn)場試驗(yàn)與結(jié)果評定等。

1 工程概況

道路等級為城市支路Ⅱ級，設(shè)計(jì)車速為20 km/h，設(shè)計(jì)斷面為單向單車道，橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅱ級車道荷載，環(huán)境類別為Ⅱ類。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆連續(xù)箱型梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示，共3聯(lián)，跨徑分布為：

第一聯(lián)：K0+000—K0+067，33.5+33.5=67 m；

第二聯(lián)：K0+067—K0+132.5，22+23.5+20=65.5m；

第三聯(lián)：K0+132.5—K0+216.5，28+28+28=84 m。

圖1 橋型平面布置示意圖

橋梁斷面全寬均為8 m，單車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)斷面橫斷面布置為：0.5 m（防撞護(hù)欄）+7.0 m（行車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）=8 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用單箱單室截面形式，箱梁梁高為1.6 m，頂板寬8 m，懸臂長為1.5 m。

第一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁曲線外側(cè)跨中位置腹板厚0.5 m，支點(diǎn)位置腹板厚0.65 m；考慮到小半徑平曲線影響，曲線內(nèi)側(cè)腹板加厚以增加結(jié)構(gòu)自重，跨中位置腹板厚0.7 m，支點(diǎn)位置腹板厚0.9 m。第二聯(lián)普通鋼筋混凝土箱梁曲線外側(cè)跨中位置腹板厚0.5 m，支點(diǎn)位置腹板厚0.6 m；考慮到小半徑平曲線影響，曲線內(nèi)側(cè)腹板加厚以增加結(jié)構(gòu)自重，跨中位置腹板厚0.7 m，支點(diǎn)位置腹板厚0.9 m。第三聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁跨中位置腹板厚均為0.5 m，支點(diǎn)位置腹板厚均為0.65 m，箱梁頂板、底板厚均為0.2 m。

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用C50混凝土，普通鋼筋混凝土箱梁采用C40混凝土，橋面鋪裝為8 cm的防水混凝土與9 cm的改性瀝青混凝土組成。預(yù)應(yīng)力管道成孔采用塑料波紋管，管道摩擦系數(shù)μ=0.15，管道偏差系數(shù)k=0.001 5。

橋梁上部結(jié)構(gòu)施工采用滿堂支架澆筑法，箱梁預(yù)應(yīng)力采用兩端張拉方式。首先張拉1/2橫隔梁預(yù)應(yīng)力鋼束，再對稱張拉主梁腹板及頂板鋼束，待腹板及頂板鋼束張拉完畢后，張拉剩余橫隔梁預(yù)應(yīng)力鋼束。本聯(lián)所有預(yù)應(yīng)力未張拉完不得拆除本聯(lián)支架。第二聯(lián)鋼筋混凝土箱梁必須在相鄰聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的腹板鋼束全部張拉完畢后澆筑。

2 控制荷載確定

為了確定靜力荷載試驗(yàn)加載的大小，運(yùn)用大型通用有限元軟件Midas Civil 2010建立空間有限元模型。各聯(lián)的邊跨跨中、中跨跨中與墩頂截面的內(nèi)力影響線如圖2所示。

圖2 影響線提取匯總

根據(jù)各截面影響線進(jìn)行公路-Ⅱ級車道荷載加載計(jì)算。計(jì)算時(shí)按單車道考慮，箱梁偏載系數(shù)為1.15，即橫向分布系數(shù)為1×1.15=1.15；沖擊系數(shù)取值按照規(guī)范計(jì)算。加載荷載效率見表1，實(shí)際加載對應(yīng)理論撓度值見表2。

表1 加載荷載效率

表2 實(shí)際加載對應(yīng)理論撓度值 mm

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)該橋梁受力特點(diǎn)，測試斷面選取9個(gè)斷面：第一聯(lián)：0～1號跨中截面，1～2號跨中截面，1號墩墩頂截面；第二聯(lián)：2～3號跨中截面，3～4號跨中截面，3號墩墩頂截面；第三聯(lián)：6～7號跨中截面，7～8號跨中截面，7號墩墩頂截面。

首先利用各截面的彎矩、撓度影響線，確定其最不利荷載位置，然后用滿足規(guī)范要求的試驗(yàn)車隊(duì)進(jìn)行加載，測出各控制截面的撓度、應(yīng)力、裂縫的發(fā)展情況等。

實(shí)際加載時(shí)，采用的車輛為中國長春一汽重型車廠生產(chǎn)的FAW解放型翻斗汽車加載，車輛特性參數(shù)列于表3。抽樣稱重表明各車重量較為均勻，單車重量的誤差均在1 t以內(nèi)，達(dá)到了靜載設(shè)計(jì)車重35 t的要求。

表3 加載車輛參數(shù)

針對上述所選擇的9個(gè)測試斷面，每個(gè)測試斷面布置5個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)與5個(gè)撓度測點(diǎn)；其中，應(yīng)變測點(diǎn)在底板布置3個(gè)，在腹板與翼緣板交界處各布置1個(gè)，而撓度測點(diǎn)均布置于底板；如圖3、圖4所示。

圖3 測試斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖4 測試斷面撓度測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

實(shí)際加載時(shí)，實(shí)行分級加載，每次加1臺車，每種工況重復(fù)兩次，測試點(diǎn)最終數(shù)值為兩次加載的平均值。每次加載前，首先讀取測試點(diǎn)的初值，然后按設(shè)計(jì)載位布置完加載車輛，10 min后讀取加載值；讀完后加載車輛完全退出橋梁范圍，10 min后讀取卸載值。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場加載情況

4 結(jié)果評定

4.1 對稱加載撓度測試結(jié)果

本次試驗(yàn)測試了各跨跨中的撓度，單個(gè)斷面布置5個(gè)撓度測點(diǎn)，采用精密電子水準(zhǔn)儀TOPCON DL-102C對目標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行了測試，并取其平均值與理論撓度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

在試驗(yàn)荷載的作用下，第一聯(lián)兩跨跨中最大撓度為 5.05 mm；遠(yuǎn)小于其容許值，即 Lb/600=55.83 mm。第二聯(lián)邊跨跨中撓度值為1.19 mm，中跨跨中撓度值為1.14 mm，亦遠(yuǎn)小于其容許值，即Lz/600=39.17 mm。第三聯(lián)邊跨跨中撓度值為1.95 mm，中跨跨中撓度值為2.08 mm，亦遠(yuǎn)小于其容許值，即Lz/600=46.67 mm?？梢钥闯觯阂?guī)范理論計(jì)算撓度值大于各測試斷面的實(shí)測撓度值，各不同加載工況中所對應(yīng)斷面撓度校驗(yàn)系數(shù)維持在0.668～0.799之間，表明梁的整體剛度較大，結(jié)構(gòu)正常，工作性能良好，完全滿足現(xiàn)行規(guī)范對活載撓度的限制。各測試截面在相應(yīng)試驗(yàn)荷載作用下的最大相對殘余變形僅為13.44%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20%殘余變形控制值。說明結(jié)構(gòu)變形依然發(fā)展在良好的彈性工作階段。

4.2 對稱加載混凝土應(yīng)變測試結(jié)果

本次試驗(yàn)測試了各工況對應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)變。由于數(shù)據(jù)較多，對于同一斷面，同一高度測點(diǎn)的應(yīng)變平均值與理論撓度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

在試驗(yàn)荷載的作用下，各測試斷面的實(shí)測應(yīng)變值均小于理論計(jì)算應(yīng)變值，荷載工況對應(yīng)斷面測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.586～0.771之間；根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)，其校驗(yàn)系數(shù)小于1，說明梁的剛度較大，結(jié)構(gòu)工作性能較好。但是由于計(jì)算時(shí)橋面鋪裝和欄桿等附屬物對橋梁剛度的貢獻(xiàn)不能精確計(jì)入，導(dǎo)致計(jì)算剛度較實(shí)際值??；而且混凝土為不均勻材質(zhì)，局部應(yīng)變滯后等因素也會導(dǎo)致上述結(jié)果遠(yuǎn)小于1；因此最終應(yīng)結(jié)合撓度測試結(jié)果進(jìn)行綜合判斷。各測試截面在相應(yīng)試驗(yàn)荷載作用下的相對殘余應(yīng)變很小，最大為11.36%，小于20%。說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。

4.3 偏載情況對跨中截面的影響

為得到主梁在偏心荷載作用下受力及變形情況，選取各聯(lián)的中跨跨中進(jìn)行偏心加載。

箱梁橫向增大系數(shù)是指汽車偏載時(shí)，相應(yīng)于偏心方向的撓度與汽車對稱布置時(shí)的撓度的比值，可由式（1）計(jì)算：

式中：ξ為橫向增大系數(shù)；we為偏載布置時(shí)橫向測點(diǎn)最大撓度或應(yīng)變實(shí)測值；w0為對稱加載時(shí)橫向測點(diǎn)平均撓度或應(yīng)變實(shí)測值。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，本試驗(yàn)工況按撓度計(jì)算得到第一聯(lián)0～1號跨中截面橫向增大系數(shù)為1.016，第二聯(lián)中跨跨中截面橫向增大系數(shù)為1.029，第三聯(lián)中跨跨中截面橫向增大系數(shù)為1.024，均小于目前計(jì)算一般推薦的1.15，說明箱梁在偏載車隊(duì)作用下未發(fā)生很大扭轉(zhuǎn)變形，該橋設(shè)計(jì)截面具有較強(qiáng)的抗扭能力，這對結(jié)構(gòu)受力是有利的。

4.4 混凝土裂縫觀測結(jié)果

在整個(gè)試驗(yàn)加載過程中，對主要受力部位的混凝土表面進(jìn)行監(jiān)測，主要為裂縫寬度。監(jiān)測結(jié)果表明，在加載過程中沒有明顯的裂縫產(chǎn)生，原有裂縫在加載完成后均可恢復(fù)，即沒有明顯發(fā)展。

5 結(jié)論

a）根據(jù)撓度試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為撓度的試驗(yàn)值與理論計(jì)算值吻合良好。撓度最大試驗(yàn)值均遠(yuǎn)小于規(guī)范容許撓度值。而且在試驗(yàn)荷載作用下，橋梁主要控制斷面上的撓度實(shí)測值與理論計(jì)算值之比小于1，說明橋梁的剛度較大，滿足使用要求。在試驗(yàn)荷載作用下測試截面最大相對殘余變形小于20%，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。

b）根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)規(guī)定，在試驗(yàn)荷載作用下，橋梁主要控制斷面上的靜荷載應(yīng)力增量與理論計(jì)算值之比小于1，測試點(diǎn)最大相對殘余應(yīng)變小于20%，說明在試驗(yàn)荷載下，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，具有較好的工作性能。

c）基于靜力荷載試驗(yàn)進(jìn)行橋梁狀態(tài)評估的方法簡便易行，且結(jié)果較為可靠，便于工程應(yīng)用。