基于外觀檢測(cè)和荷載試驗(yàn)的單梁受力分析

張西強(qiáng)

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100018)

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基于外觀檢測(cè)和荷載試驗(yàn)的單梁受力分析

張西強(qiáng)

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100018)

文章結(jié)合突泉北大橋橋梁狀況評(píng)定實(shí)踐，采取外觀檢查和靜載試驗(yàn)相結(jié)合方法，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況和承載能力進(jìn)行了評(píng)定，確定了該橋具有單梁受力現(xiàn)象，按規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)估，確定了橋梁技術(shù)狀況等級(jí)。

橋梁狀況評(píng)定；外觀檢查；靜載試驗(yàn)；承載能力；單梁受力；綜合評(píng)估；技術(shù)狀況等級(jí)

0 引言

隨著我國(guó)公路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，公路交通量的快速增加以及車輛載重的不斷增大，橋梁檢查和養(yǎng)護(hù)重要性越來(lái)越突出，如何準(zhǔn)確地對(duì)公路橋梁技術(shù)狀況做出評(píng)估，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力做出評(píng)定，以確保橋梁結(jié)構(gòu)安全，這是公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作中非常關(guān)鍵的問(wèn)題。

在進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況評(píng)定時(shí)，一般情況下，根據(jù)橋梁缺損狀況調(diào)查評(píng)估以及質(zhì)量狀況檢測(cè)評(píng)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，當(dāng)對(duì)橋梁技術(shù)狀況難以確定或?qū)ζ涑休d力有所懷疑時(shí)，可以通過(guò)荷載試驗(yàn)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和工作性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，確定其承載能力。通過(guò)外觀檢測(cè)和荷載試驗(yàn)綜合分析，為橋梁維修改造，消除

安全隱患提供了科學(xué)、有效、準(zhǔn)確的試驗(yàn)檢測(cè)依據(jù)。

1 工程概況

內(nèi)蒙古突泉北大橋位于突泉縣北出口，橋跨季節(jié)性河流，修建于1981年，為正橋，上部結(jié)構(gòu)為6×20 m裝配式普通混凝土簡(jiǎn)支T梁橋，橫向由7片主梁組成，梁高128 cm，梁間凈距140 cm；每跨5道橫隔板，中間3道，兩端各一道，橫隔板厚度為15 cm，兩片梁之間橫隔板通過(guò)鋼板焊接和2 cm濕接縫連接而成；下部結(jié)構(gòu)為柱式墩臺(tái)，橋面凈寬9.0 m，兩側(cè)人行道各寬1.25 m，人行道欄桿為混凝土護(hù)欄。

圖1 突泉北大橋立面圖

在日常性檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該橋橋面鋪裝出現(xiàn)了縱向裂縫，主梁出現(xiàn)豎向、橫向以及斜向裂縫，橫向連接系局部出現(xiàn)破損現(xiàn)象。為了確定該橋橋梁狀況，需要對(duì)該橋進(jìn)行全面檢查和評(píng)估[1]。

2 橋梁外觀檢查

經(jīng)過(guò)對(duì)橋梁進(jìn)行外觀檢查，該橋存在的主要病害如下：

(1)橋面系：各伸縮縫內(nèi)均積土，局部破損；人行道通長(zhǎng)網(wǎng)裂，且局部破損；在部分主梁與主梁接縫處，橋面鋪裝出現(xiàn)縱向裂縫，初步判定為反射裂縫，可能存在單梁受力現(xiàn)象；全橋護(hù)欄扶手局部銹蝕，立柱根部局部斷裂松動(dòng)。

(2)上部結(jié)構(gòu)：主梁橫隔板連接區(qū)域出現(xiàn)開(kāi)裂、局部破損、鋼板銹蝕現(xiàn)象；主梁翼緣局部銹蝕露筋、破損露筋；主梁支座至L/4區(qū)域腹板兩側(cè)出現(xiàn)大量斜向裂縫，而且部分裂縫寬度超過(guò)規(guī)范限值；L/4至3L/4區(qū)域主梁出現(xiàn)大量豎向裂縫，大多數(shù)豎向裂縫自梁底向上延伸，裂縫下寬上窄，而且裂縫長(zhǎng)短不一，寬度不一，裂縫間隔20～40cm，部分裂縫寬度超過(guò)限值；全橋主梁梁底出現(xiàn)大量橫向裂縫，部分橫向裂縫貫通腹板，裂縫間隔20～40cm，部分裂縫寬度超過(guò)限值。

(3)下部結(jié)構(gòu)主要病害為：蓋梁上方主梁均未設(shè)置抗震擋塊，橋墩蓋梁側(cè)面出現(xiàn)豎向裂縫，局部銹脹開(kāi)裂，蓋梁前后側(cè)面有水跡，蓋梁上方雜物堆積。

3 橋梁荷載試驗(yàn)分析

根據(jù)橋梁外觀檢查結(jié)果，跨中和支點(diǎn)部位存在結(jié)構(gòu)性裂縫，橋面鋪裝存在縱向反射裂縫，橫向聯(lián)系存在局部破損現(xiàn)象。該橋是否真正存在單梁受力現(xiàn)象，將對(duì)該橋技術(shù)狀況評(píng)定以及加固維修方案起著決定性作用，為了進(jìn)一步判定橋梁實(shí)際工作狀況，采取結(jié)合荷載試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合分析。

3.1 橋梁荷載試驗(yàn)方案

由于該橋缺少相關(guān)技術(shù)資料，經(jīng)過(guò)實(shí)際勘察和相關(guān)技術(shù)資料比對(duì)，擬以公路-Ⅱ荷載標(biāo)準(zhǔn)采用有限元進(jìn)行控制計(jì)算。據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、病害特征以及相關(guān)規(guī)范要求，本次靜載試驗(yàn)選取橋梁病害程度較嚴(yán)重第2跨分別對(duì)跨中、支點(diǎn)截面截面進(jìn)行跨中最大正彎矩和支點(diǎn)最大剪力兩個(gè)工況的荷載試驗(yàn)測(cè)試，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行判斷是否能夠滿足公路-Ⅱ荷載要求[2-7]。

3.2 加載圖示及荷載分級(jí)

工況一：跨中最大正彎矩測(cè)試(A-A截面)

使用4輛重車進(jìn)行加載。各級(jí)加載產(chǎn)生的單梁最大截面內(nèi)力及荷載效率見(jiàn)表1，加載位置圖示見(jiàn)下頁(yè)圖2，加載荷載分級(jí)見(jiàn)表2。

表1 工況一荷載效應(yīng)(彎矩)及荷載效率表

圖2 加載車位布置示意圖(單位：cm)

表2L/2控制彎矩工況荷載分級(jí)表

加載車位(m)加載等級(jí)第1級(jí)第2級(jí)第3級(jí)第4級(jí)第5級(jí)x7.55.54.53.52.5y7.55.54.53.52.5

工況二：支點(diǎn)最大剪力測(cè)試(B-B截面)

使用4輛重車進(jìn)行加載。各級(jí)加載產(chǎn)生的單梁最大截面內(nèi)力及荷載效率見(jiàn)表3，加載圖示見(jiàn)圖3。

表3 工況二荷載效應(yīng)(彎矩)及荷載效率表

圖3 加載車位布置圖(單位：cm)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

橋梁靜載試驗(yàn)的觀測(cè)項(xiàng)目主要包括三個(gè)方面：(1)應(yīng)力觀測(cè)；(2)變位觀測(cè)；(3)荷載試驗(yàn)現(xiàn)象觀測(cè)。應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)主要是針對(duì)試驗(yàn)所進(jìn)行的各測(cè)試截面所對(duì)應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目，試驗(yàn)現(xiàn)象觀測(cè)主要是對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面的開(kāi)裂狀況進(jìn)行檢查、有無(wú)異常的振動(dòng)和響聲等。除此之外還應(yīng)對(duì)試驗(yàn)所處的環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)，如環(huán)境溫度等。

試驗(yàn)曲線能夠非常直觀地反應(yīng)試驗(yàn)的結(jié)果，通過(guò)曲線來(lái)表示實(shí)測(cè)應(yīng)變和理論計(jì)算值的比較情況、各控制點(diǎn)主要控制點(diǎn)的變位(應(yīng)變)、撓度分布情況。通過(guò)這些曲線可以一目了然地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出異常點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是否處于彈性狀態(tài)、判斷應(yīng)變分布是否符合平截面假定等，有針對(duì)性地分析產(chǎn)生這些情況的原因、在結(jié)果中是否具有普遍性，從而對(duì)結(jié)構(gòu)做出客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

從圖4中可以看出，滿載時(shí)，測(cè)試截面橫橋向各梁梁底應(yīng)變實(shí)測(cè)值曲線與計(jì)算值曲線不符，3#梁、4#梁應(yīng)變出現(xiàn)突變，而且實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，說(shuō)明橫向聯(lián)系較弱，整體受力不均勻，存在單梁受力現(xiàn)象[8]。

圖4 滿載時(shí)橫向各梁應(yīng)變分布曲線圖

圖5 滿載時(shí)各梁撓度橫向分布曲線圖

從圖5中可以看出，滿載時(shí)，測(cè)試截面橫橋向各梁梁底撓度實(shí)測(cè)值曲線與計(jì)算值曲線不符，3#梁、4#梁應(yīng)變出現(xiàn)突變，而且實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，該梁實(shí)際受力與理論不符，橫向聯(lián)系較弱，受力不均勻，存在單梁受力現(xiàn)象。

工況二為支點(diǎn)剪應(yīng)力測(cè)試工況，本工況采用應(yīng)變花測(cè)試各方向應(yīng)變?chǔ)?、ε45、ε90，通過(guò)實(shí)測(cè)應(yīng)變值推算最大剪應(yīng)力τmax。

滿載時(shí)，實(shí)測(cè)最大剪應(yīng)力與分析值如表4所示[9-10]。

表4 剪應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值表

從上表可以看出，在滿載作用下，實(shí)測(cè)剪應(yīng)力推算值1.39MPa，根據(jù)試驗(yàn)荷載求得的計(jì)算值為0.65MPa，實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，不能滿足強(qiáng)度要求，是梁端支點(diǎn)附近產(chǎn)生斜向裂縫的主要原因。

4 主要病害原因分析以及對(duì)結(jié)構(gòu)影響

根據(jù)橋梁外觀檢查和荷載試驗(yàn)結(jié)論，結(jié)合橋梁特征和自然環(huán)境，該橋產(chǎn)生病害的主要原因如下：

(1)橋面縱向裂縫為反射裂縫，基本上是沿著T梁與T梁接縫處展開(kāi)，具有明顯規(guī)律性，縱向裂縫貫穿橋面，結(jié)合荷載試驗(yàn)結(jié)果分析，判定為主梁具有單梁受力現(xiàn)象。該病害產(chǎn)生的主要原因是由于超載和橫向聯(lián)系失效等造成的。主梁翼緣具有滲水現(xiàn)象，橋面滲水使混凝土極易受到腐蝕，引起鋼筋銹脹，從而降低了混凝土耐久性。

(2)伸縮縫裝置是橋梁結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，理想的伸縮縫裝置必須滿足上部結(jié)構(gòu)梁與梁之間和梁與臺(tái)之間的位移；伸縮縫裝置的錨固是牢固可靠、經(jīng)久耐用的，能夠抵抗機(jī)械磨損、碰撞；車輛行駛平穩(wěn)、舒適；能防止雨水和垃圾滲入；伸縮縫局部破損，往往造成路面不平順，對(duì)行車安全造成不利影響，而且致使伸縮縫處跳車嚴(yán)重，車輛對(duì)主梁沖擊作用也隨之明顯變大，從而造成主梁結(jié)構(gòu)損傷和結(jié)構(gòu)性能減弱。

(3)腹板斜裂縫為結(jié)構(gòu)性裂縫，腹板出現(xiàn)斜向裂縫主要是由于主拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度或腹板抗剪不足引起的剪切病害。斜裂縫產(chǎn)生的原因?yàn)椋盒绷芽p首先發(fā)生在剪應(yīng)力最大的支座附近，與梁軸線成45°左右開(kāi)裂，隨著時(shí)間推移，不斷向受壓區(qū)和跨中方向發(fā)展，這類裂縫一般隨著荷載的變化而變化，很容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。

(4)腹板豎向裂縫和橫向裂縫，一類是由外荷載引起的裂縫，也稱結(jié)構(gòu)性裂縫，表示結(jié)構(gòu)承載力可能不足或車輛超載引起的，此類裂縫主要是梁底先產(chǎn)生橫向裂縫，進(jìn)而由下向上發(fā)展成腹板豎向裂縫，此類病害容造成橋梁承載力降低；另一類裂縫是為非結(jié)構(gòu)性裂縫，此類病害多位于薄腹板中部，中間寬兩頭細(xì)，為向上向下延伸，此類病害主要是由溫度變化、混凝土養(yǎng)護(hù)差、腹板上水平鋼筋少造成的收縮徐變產(chǎn)生裂縫，此類裂縫主要影響結(jié)構(gòu)耐久性。

(5)橫隔板病害產(chǎn)生原因是T形簡(jiǎn)支梁橋的翼緣板較弱，橫向聯(lián)結(jié)采用鋼板焊接，施工中的焊接質(zhì)量不易保證而造成結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性較弱，超載車輛通過(guò)后，引起梁體之間的接縫開(kāi)裂、橫隔板鋼板焊縫開(kāi)裂等病害；另外，施工原因?qū)е碌臋M隔板沒(méi)有對(duì)齊，連接質(zhì)量差，以及T梁間接縫質(zhì)量差，混凝土不密實(shí)也是引起橫隔板病害原因之一。

此類病害容易引起橫系梁橫向傳力的功能減退，橋梁整體性變差，引起單梁受力結(jié)果，誘發(fā)主梁其他病害的產(chǎn)生。

(6)橋梁擋塊主要作用是防止橋梁在橫向地震力作用下發(fā)生橫向較大的位移橋，墩蓋梁上方未設(shè)置擋塊，對(duì)主橋橋跨主梁抗震不利。

5 檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)外觀檢查及技術(shù)狀況評(píng)估，結(jié)合靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，突泉北大橋技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為四類，該橋承載能力不能滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

荷載試驗(yàn)對(duì)橋梁外觀檢查結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行分析，為該橋技術(shù)狀況評(píng)價(jià)提供了有力證據(jù)支持，檢測(cè)結(jié)果表明該橋處于差的狀態(tài)，根據(jù)《公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTGH11-2004)3.5.4條，四類橋梁需進(jìn)行大修或改造，及時(shí)進(jìn)行交通管制，如限載、限速通過(guò)；在進(jìn)行加固改造之前，應(yīng)加強(qiáng)橋梁日常巡查和養(yǎng)護(hù)工作。

[1]JTGH11-2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

[2]JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[3]JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTGF80/1-2004，公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]JTG/TJ21-2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].

[6]宋一凡.公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評(píng)定[M].北京：人民交通出版社，2002.

[7]諶潤(rùn)水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[8]藍(lán) 寶，花尉攀.MIDAS在橋梁檢測(cè)荷載試驗(yàn)仿真中的應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù)，2009(5)：55-57.

[9]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[10]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

Single-beam Stress Analysis Based on Appearance Inspection and Load Test

ZHANG Xi-qiang

(CCCC Road and Bridge Consultants Co.，Ltd.，Beijing，100018)

Combined with bridge condition assessment practices of Tuquan North Bridge，and by using the method of both appearance inspection and static load test，this article evaluated the actual working conditions and carrying capacity of bridge structure，determined that this bridge has the phenomenon of single-beam stress，then the bridge structure was comprehensively assessed according to specifica-tions to determine the technical condition rating of the bridge.

Bridge condition evaluation；Appearance inspection；Static load test；Carrying capacity；Single-beam stress；Comprehensive evaluation；Technical status rating

張西強(qiáng)(1980—)，碩士研究生，主要從事橋梁檢測(cè)與加固工作。

U446.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.015

1673-4874(2015)11-0068-04

2015-10-11