基于靜載實測數(shù)據(jù)的鋼- 混組合結(jié)構(gòu)橋梁狀態(tài)評估

蘇躍華，牛昌林，李喜梅

（1.甘肅省建設(shè)投資（控股）集團總公司，甘肅 蘭州730050；2.甘肅建投科技研發(fā)有限公司，甘肅 蘭州730050；

3.蘭州理工大學 西部土木工程防災減災工程研究中心，甘肅 蘭州730050）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通運輸量與日俱增，橋梁作為交通的樞紐工程，其重要性不言而喻。為確保橋梁結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定，在竣工驗收時一定要依據(jù)相關(guān)規(guī)范對橋梁進行檢測評估。通過對橋梁進行詳細的檢測及承載力鑒定，可以全面掌握橋梁的結(jié)構(gòu)形式及尺寸、橋梁結(jié)構(gòu)材料的使用性能、橋梁結(jié)構(gòu)的力學性能和安全儲備，評定橋梁技術(shù)狀況，建立起完整的橋梁技術(shù)檔案資料，監(jiān)控橋梁運營狀況，控制橋梁病害的發(fā)展[1]。通過橋檢測對橋梁狀態(tài)做出評估，可為橋梁工程管理提供科學依據(jù)與參考，為保障橋梁的安全運行提供條件[2]。

橋梁檢測的常用方法有：無損傷檢測法、半損傷檢測法、半損傷和無損傷綜合使用法、荷載試驗法。近年來，混凝土強度的無損傷檢測仍然采用強度回彈法和超聲法[3]；而荷載試驗包括動載試驗和靜載試驗兩部分[4]，其中的靜載試驗能夠考察橋梁的實際工作狀態(tài)和承載能力，所獲取的結(jié)果最為可靠且最為直觀[5]。為了保障公路橋梁的質(zhì)量，尤其是采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的橋梁質(zhì)量，交通部頒布的《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTG H10—2009）明確規(guī)定，必須判斷橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力，檢驗橋梁設(shè)計與施工質(zhì)量。本文將結(jié)合某鋼-混組合梁橋靜載試驗，對橋梁檢測試驗進行簡要的探討，重點分析靜載試驗的方案設(shè)計，為橋梁檢測提供參考。

1 工程概況

某連續(xù)鋼-混組合梁橋，跨徑組合：35m+35m+35 m=105 m，單幅橋?qū)?2 m，全寬24 m，正交布置。橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩采用墩柱式橋墩，樁基礎(chǔ)樁徑1.5m，橋臺采用一字式臺，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑1.2m。場地內(nèi)地形北高南低，場地及周邊無區(qū)域性斷層經(jīng)過，受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造的影響較小。某連續(xù)鋼-混組合梁橋立面圖見圖1。

圖1 某連續(xù)鋼-混組合梁橋立面圖（單位：mm）

2 檢測方法、加載工況及傳感器布置位置

本次檢測選用的方法是靜載試驗。橋梁靜載試驗是按照預定的試驗目的與試驗方案，將靜力荷載作用在橋梁上的指定位置，觀測橋梁的位移、應變、開裂裂縫、沉降等試驗項目，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和規(guī)程的評定指標，判定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和正常使用性能。

2.1 靜載試驗加載原則

由《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）可知，橋梁的靜力測驗標準是根據(jù)靜載荷載試驗效率η 來確定試驗的最大荷載。靜載荷載試驗效率η 的計算公式為：式中：Si為試驗荷載作用下，試驗部位變形或內(nèi)力的計算值；Sd為設(shè)計標準荷載作用下，檢測部位變形或內(nèi)力的計算值；1+μ 為設(shè)計取用的動力系數(shù)。

設(shè)計內(nèi)力Sd是依據(jù)設(shè)計圖紙和設(shè)計荷載采用Midas-Civil軟件計算出的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)力。對于驗收性荷載試驗，荷載效率η 宜取0.85~1.05；對于鑒定性荷載試驗，荷載效率η 宜取0.95~1.05。

2.2 加載方案

本次荷載試驗主要采用車輛荷載進行加載，車輛荷載加載的優(yōu)點是便于運輸和加載卸載方便迅速。正式加載前，對試驗橋梁進行了預加載。為減少溫度變化對測試結(jié)果的影響，本次加載時間選擇在溫度較為穩(wěn)定的22點以后。

2.3 加載工況和測點布置

本文在理論分析的基礎(chǔ)上確定試驗的控制荷載和施加位置。連續(xù)梁橋控制截面：應變的監(jiān)測部位選取一般是在中跨跨中截面、中支點截面、近中支點的邊跨跨中截面；撓度的控制截面分別為邊跨跨中截面、中跨支點截面和中跨跨中截面[6]。各控制截面彎矩影響線如圖2所示[7]。

圖2 控制截面彎矩影響線

本次靜載試驗針對截面最不利情況加載，車輛應當盡可能接近內(nèi)力影響線最大的地方，橋梁的下游幅參與試驗。根據(jù)圖2，荷載試驗考慮6種工況，如表1所示。

表1 下游幅荷載工況

測點布置原則上滿足鑒定橋梁承載力可靠度的要求，選擇能反映橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)和最不利受力截面。截面應變測點布置與撓度測點布置見圖3、圖4。

圖3 下游幅應變測點布置

圖4 下游幅位移測點布置

3 靜載試驗結(jié)果分析

3.1 靜載試驗有限元模型的建立

試驗對象確定后，對試驗跨進行理論分析計算。理論分析計算是加載方案、觀測方案和試驗跨性能評價的依據(jù)，包括試驗跨的設(shè)計內(nèi)力計算和試驗荷載效應計算兩方面。

設(shè)計內(nèi)力計算是依據(jù)設(shè)計圖紙和設(shè)計荷載，采用Midas-Civil軟件計算出橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)力。試驗荷載效應計算是在設(shè)計內(nèi)力計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定加載位置和車輛數(shù)量的過程。由于橋梁靜載試驗是鑒定荷載試驗，原則上應盡量采用與設(shè)計標準荷載相同的荷載，但由于客觀因素的存在，實際采用的試驗荷載往往與設(shè)計標準荷載不一致。為保證試驗效果，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》要求，靜載荷載試驗效率宜取0.95~1.05。

考慮到設(shè)計荷載一般按車道荷載施加，而試驗荷載是車輛車輪點式加載的方式，有限元模型處理的時候，通常在試驗荷載的有限元模型上建立一板單元，以方便加載。利用Midas-Civil橋梁分析軟件建立的計算模型見圖5。

3.2 試驗資料的整理

靜載試驗后，需要對試驗數(shù)據(jù)進行去粗存真和去偽存真的整理分析，使其能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。試驗數(shù)據(jù)整理分析除了包括對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行修正和整理外，還包括對實測數(shù)據(jù)評價指標與方法的取用。

一般情況下，當橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段時，測試值直接等于加載時讀數(shù)減去初讀數(shù)。對于測試值的計算，應該注意測試值修正、測點應力計算、支點沉降影響的修正和荷載橫向分布系數(shù)的計算等。

對于測點應力，是按結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)時遵守胡克定律，利用試驗測得的應變按照式（2）計算：

式中：σ 為測點應力；E為構(gòu)件材料的彈性模量；ε為測點實測應變值。

在單向應力狀態(tài)按主應力方向布置直角應變花時，則主應力σ 為：

式中：υ 為泊松比；E為混凝土彈性模量。

在平面應力狀態(tài)下，已知主應力方向，采用圖6中的形式，則主應力的求解為式（4）、式（5）。

式中：εa、εb為相互垂直方向的主應變；σa、σb為相互垂直方向的主應力。

在平面應力狀態(tài)下，主應力方向未知，采用圖6形式，則測點最大、最小主應力σmax、σmin如下：

圖6 常見應變花的形式

在平面應力狀態(tài)下，主應力方向未知，采用圖6所示形式進行應變測量，則測點最大、最小主應力如下：

式中：τmax為測點最大剪力；φ 為最大主應力與第1片應變片的夾角。

對于由多根主梁組成的橋梁結(jié)構(gòu)，荷載橫向分布系數(shù)的量測與計算往往是橋梁檢測的內(nèi)容之一。通過對橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面各主梁撓度的測定，可以繪制出跨中截面的橫向撓度曲線。根據(jù)荷載橫向分布的概念，運用變位互等原理，可計算出任意一根主梁的荷載橫向分布系數(shù)。當各主梁截面尺寸相同時，則第i根主梁的橫向分布系數(shù)βi可按下式計算：

式中：ωi為荷載P引起的第i根主梁的撓度；ω 為荷載P均勻分布于全橋?qū)挄r所產(chǎn)生的撓度。

除了運用變位互等原理計算橫向分布系數(shù)βi外，還可以利用撓度圖的面積來計算第i根主梁的βi，見式（11）。式中：Ωi（y）為第i根主梁范圍內(nèi)撓度圖的面積；Ω 為撓度圖的總面積；yi為第i根主梁的撓度。

任意一根主梁的撓度曲線見圖7。

圖7 任意一根主梁的撓度曲線

3.3 試驗結(jié)果分析

為了量化實測值與理論計算值的比較結(jié)果，引入結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)λ：

式中：Se為試驗荷載作用下量測的效應（撓度、位移、應變或力）值；Ss為試驗荷載作用下理論計算效應（撓度、位移、應變或力）值。

當λ=1時，說明理論值與實測值完全相符；λ＜1時，說明結(jié)構(gòu)工作性能較好，承載能力有一定富余，有安全儲備；λ＞1時，說明結(jié)構(gòu)的工作性能較差，設(shè)計強度不足，不夠安全。

3.3.1 應變分析

圖8列出了3種最不利工況下應變理論值與實測值的對比圖。根據(jù)圖8，對最不利受力部分進行結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)計算，結(jié)果見表2。表2結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)0.87≤λ≤0.92。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015），影響結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)的因素是多方面的，如結(jié)構(gòu)體系、所用材料及模型參數(shù)等，因此在保證測試精度的同時，還應該客觀分析實際結(jié)構(gòu)與計算模型的差異，進行綜合分析評價。

3.3.2 撓度分析

表3列出了橋面位移測點在3種最不利工況荷載作用下的撓度實測值、理論值，以及結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)λ，其中撓度以向下為負，向上為正。圖9為3種最不利工況作用下位移實測值與理論值的對比圖。

由表3可知，橋面各控制截面在其最不利布載情況下（工況2、4、6）的實測撓度值小于理論計算值，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)0.55≤λ≤0.78。

4 結(jié)語

（1）該橋結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)小于1，說明其結(jié)構(gòu)工作性能較好，承載能力有一定富余，有安全儲備。

圖8 3 種最不利工況下理論應變與實測應變對比圖

圖9 3 種最不利工況下理論位移與實測位移對比圖

表3 橋面測點撓度理論值與實測值

（2）在試驗荷載作用下，跨中各靜載撓度最大值為8.28mm，小于規(guī)范允許值l/600（l為橋的計算跨徑），滿足規(guī)范限值要求。

（3）本文結(jié)合工程實際，給出了橋梁檢測數(shù)據(jù)及分析成果，旨在為類似橋梁的荷載試驗檢測、評定提供理論依據(jù)與借鑒。