高速公路箱梁靜載試驗檢測探討

肖慧媛

（吉安市路橋工程局,江西 吉安 343000）

0 引言

橋梁結構靜載試驗是在橋梁結構指定位置施加靜荷載，并進行結構應力應變、撓度等的測試，以了解橋梁結構承載能力及實際工作狀態(tài)，掌握理論上無法計算部位的受力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)一般性檢測中難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽性病害，對橋梁結構承載力做出直接、準確的判斷。靜載試驗方案的設計直接關系到試驗過程的可操作性及結果的準確性，該文以具體工程為例，對高速公路箱梁靜載試驗方案設計及試驗過程的展開進行了深入探討，可作為該試驗方案工程應用的借鑒參考。

1 工程概況

某新建高速公路按照公路-Ⅰ級荷載設計，樁號K40+023～K40+500段橋梁上部為150+2×140+130 m的預應力混凝土組合箱梁，該箱梁為先簡后支連續(xù)結構，箱梁高2.2 m，橫向設置4片主梁；下部為U型橋臺，其中0#臺為樁基礎，4#臺為擴大基礎，框架式橋墩。全橋為四聯(lián)，每聯(lián)4孔。為進行該橋梁施工質(zhì)量檢測，驗證橋梁空間分析模型及鋼材、混凝土參數(shù)取值是否與竣工后實際狀況吻合，必須展開靜力荷載試驗。

2 試驗目的及方案

2.1 試驗目的

在施工現(xiàn)場以順橋向右幅邊跨、次邊跨為試驗對象，以邊跨跨中A截面、次邊跨跨中B截面、支點處C截面為測試截面，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）并結合測試截面受力特點沿截面高度布置應變測點和撓度測點，主要展開該高速公路箱梁應變測試和撓度測試，以進行橋梁結構工作狀態(tài)及使用性能評價[1]。

2.2 加載原則

在最不利截面彎矩下，以車輛為加載設備。該試驗采用6輛單車點平均重量為300 kN的斯太爾載荷車進行加載，依次編號為1#～6#試驗車，車輛尺寸具體見圖1。其中1#試驗車前后軸重6.2 t和2×19.4 t，總重45 t；2#、3#試驗車前后軸重5.1 t和2×16.3 t，總重37.7 t；4#試驗車前后軸重7.9 t和2×15.9 t，總重39.7 t；5#、6#試驗車前后軸重4.3 t和2×15.9 t，總重36.1 t。

圖1 加載車輛尺寸（單位：cm）

為進行高速公路箱梁結構力學行為的準確評價，靜載試驗內(nèi)力效應和設計荷載內(nèi)力效應之比即靜載試驗效率取值必須在0.8～1.05之間。

式中，ηq——靜載試驗效率；Sj——試驗荷載下位移與內(nèi)力比；Ss——設計荷載下位移內(nèi)力比；μ——沖擊系數(shù)。

2.3 加載方案

為保證靜載試驗順利進行，避免出現(xiàn)意外破壞，必須遵守嚴格的加載程序分級遞加和遞減。正式加載前必須進行預加載，以確定和檢驗加載試驗參數(shù)。靜載試驗的持續(xù)時間原則上取決于橋梁結構變形并達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間，必須等結構變形達到穩(wěn)定狀態(tài)時再讀取試驗數(shù)據(jù)，并進入下一載荷試驗階段。對于同一級試驗荷載而言，如果變形最大的測點在最后5 min內(nèi)實際變形量比前一個5 min實際變形量小15%以上，則認為結構變形已趨于穩(wěn)定[2]。靜載試驗過程在4種工況下分三級加載，具體安排見表1。

表1 靜載試驗工況及加載分級

2.4 測點布置

進行該箱梁結構應力應變測試時，將弓形應變計分別安裝在跨中板底、支點板底及板頂，進行靜力荷載作用下混凝土結構應力應變測試。撓度測試時，將電測位移計安裝在跨中及支點斷面，進行不同荷載作用下?lián)隙葴y量，應力應變及撓度測試數(shù)據(jù)均通過分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并記錄。

應力應變測試截面包括A、B、C三個截面，其中A、B截面應力應變測點均設置在梁底，C截面應力應變測點則設置在腹板外側(cè)，共5個。撓度測試僅針對A截面和B截面展開，測點設置在截面處箱梁位置，同時在0#臺、1#墩和2#墩處分別設置2個支點沉降測點。

根據(jù)各控制截面內(nèi)力影響線進行加載車布載，并通過加載車的移動使各測試截面荷載達到目標水平，并使各截面力矩實測值和標準貨載作用下力矩設計值之比符合《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）中靜載試驗荷載效率要求。

3 試驗過程及結果

3.1 試驗加載

試驗過程中邊跨、次邊跨及支點截面均分三級加載布置荷載，各截面分級加載表詳見表2。靜載試驗具體加載位置通過MIDAS/Civil 2010結構分析軟件進行計算，按照公路-Ⅰ級確定設計荷載，同時結合該高速公路箱梁運行實際考慮折減系數(shù)。根據(jù)彎矩等效選擇，必須將靜載試驗荷載效率控制在0.93～1.03之間。該靜載試驗荷載效率取值表明，試驗荷載所產(chǎn)生的力學效應能反映設計荷載力學效應[3]。

表2 各截面分級加載表

3.2 試驗結果

以邊跨跨中A截面為例，進行該高速公路箱梁結構應力應變及撓度結果分析。

3.2.1 應力應變試驗結果

A截面各測點在中載分級加載下應變實測結果及校驗系數(shù)見表3，應變試驗校驗系數(shù)是某測點實測應變值和理論應變值之比。對于預應力混凝土橋梁而言，當應變校驗系數(shù)取值在1.0以下時，表明橋梁結構具有較好的工作性能。由表中測試結果可知，A截面測點中校驗系數(shù)最大取0.50，滿足規(guī)程要求；截面測點應變實測值橫向分布趨勢與理論值橫向分布趨勢整體一致，表明該截面強度符合設計要求。

表3 A截面中載分級加載應變測試結果

A截面各測點在偏載分級加載下應變實測結果及校驗系數(shù)見表4，根據(jù)表中測試結果，各測點校驗系數(shù)均不超出1.0，滿足要求；各測點應變實測值橫向分布取值和理論值橫向分布趨勢基本吻合，表明該截面強度滿足設計且工作性能良好。

表4 A截面偏載分級加載應變測試結果

A截面中載情況下A-2測點的實測應變值最大，三級荷載時達到66.1 με，其與理論應變值的線性關系可以表示為：y=0.510 6x-1.889 0，R2=0.999 5，該測點實測應變值和理論應變值線性關系良好。A截面偏載情況下A-1測點實測應變值最大，三級荷載下取值為64.5 με，其與理論應變值的線性關系表示為：y=0.346 8x-11.04，R2=0.999 5，實測應變值和理論應變值仍有較好的線性關系，相關系數(shù)的平方達到0.999 5。

高速公路箱梁的工作狀態(tài)還可通過相對殘余應變指標予以體現(xiàn)，相對殘余應變?yōu)闅堄鄳儗崪y值和最大應變實測值之比，該比值越小，則橋梁結構彈性工作性能越好。通常要求該比值不超出0.2。A截面中載情況下，4 個測點殘余應變實測值分別為 0.5 με、0.3 με、-7.8 με、-2.4 με，最大應變值分別為 26.4 με、65.8 με、59.7 με、23.7 με，相對殘余值依次為 0.02、0.01、-0.13、-0.1，均滿足規(guī)范要求。A截面偏載情況下，4個測點殘余應變實測值分別為 -0.2 με、3.5 με、-1.8 με、-2.1 με，最大應變分別為 64.5 με、56.7 με、39.4 με、28.2 με，相對殘余值依次為 0、0.06 με、-0.05 με、-0.07 με，符合規(guī)范。

3.2.2 撓度試驗結果

A截面各測點在中載分級加載下?lián)隙葘崪y結果及校驗系數(shù)見表5，變形校驗系數(shù)是某測點實測撓度值和理論撓度值之比。對于預應力混凝土橋梁而言，當變形校驗系數(shù)取值≤1.0時，表明橋梁結構具有較好的工作性能。由表中測試結果可知，A截面測點中變形校驗系數(shù)最大取0.50，滿足規(guī)程要求；截面測點撓度實測值橫向分布趨勢與理論值橫向分布趨勢整體一致，表明該截面剛度符合設計要求，處于彈性工作狀態(tài)。

表5 A截面中載分級加載撓度測試結果

A截面各測點在偏載分級加載下?lián)隙葘崪y結果及校驗系數(shù)見表6，根據(jù)表中測試結果，各測點校驗系數(shù)位于0.34～0.46之間，滿足要求；各測點撓度實測值橫向分布取值和理論值橫向分布趨勢基本吻合，表明該截面剛度滿足設計且工作性能良好。

表6 A截面偏載分級加載撓度測試結果

實測殘余撓度和最大撓度之比越小，表明結構越接近彈性工作狀態(tài)。A截面中載分級加載時僅A-3測點相對殘余撓度為0.14，其與測點相對殘余撓度值均更?。籄截面偏載分級加載時各測點相對殘余撓度值均小于0.2，滿足規(guī)范要求。

4 結論

綜上所述，該高速公路箱梁靜載試驗效率取值在0.93～1.03之間，試驗數(shù)據(jù)合理可靠，且試驗荷載對應的力學效應完全能體現(xiàn)設計荷載的力學效應。靜載試驗所得到的結構應力應變及撓度值均滿足規(guī)范要求，且彎矩-應力和彎矩-應變呈較好的線性關系，說明該箱梁抗彎強度和剛度均滿足公路-Ⅰ級荷載標準，結構處于彈性工作狀態(tài)，性能良好。A截面應變和撓度相對殘余最大值分別為-0.13和0.14，均滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）中不超出0.2的要求。