基于靜載試驗的橋梁承載力檢測研究

呂黎明

合肥工大工程試驗檢測有限責任公司 安徽 合肥 230051

引言

為保障整個橋梁工程的安全、穩(wěn)定運行，需要針對橋梁工程合理開展靜載試驗，準確評價橋梁綜合承載力，而靜載試驗同時也是判斷評價橋梁承載力的直接方法和有效措施。靜載試驗操作原理十分簡潔，是在橋梁目標區(qū)域施加標準設計等效荷載，準確檢測結構變形。靜載試驗能夠輔助檢驗橋梁結構質量和設計效果，準確判斷橋梁承載力。

1 橋梁荷載試驗目的

針對橋梁結構實施荷載試驗主要是為了進一步了解實際荷載下橋梁實際受力狀況，準確判斷橋梁結構安全性以及整體承載力。不管結構分析技術多么發(fā)達和先進，都無法取代公路橋梁工程的性能測試。構筑物承擔某種荷載條件下，對整體應變測試結果進行準確記錄，按照相關測試結果，工程師可以對橋梁實際結構響應進行準確了解。我國橋梁工程規(guī)模大，建設速度快，特別是各種建成時間較為久遠的大橋，因為使用時間較長，部分橋甚至遺失部分工程特征，影響舊橋評估結果，針對橋梁開展荷載試驗能夠為橋梁安全應用、改造加固、養(yǎng)護等工作提供有效參考資料。對于各種新建橋梁，因為其中應用各種新型技術材料，在施工工藝以及結構形式等方面的創(chuàng)新設計施工，使得理論狀態(tài)和工程實際狀態(tài)之間形成巨大差距，該種條件下，掌握整個橋梁結構性能和受力狀況的最為有效措施便是開展荷載試驗。借助荷載試驗能夠幫助檢測各種新型技術材料是否滿足預期效果，判斷新型結構和工藝技術是否可靠、安全，在設計中是否考慮各種問題影響等，為后期各種橋梁工程建設發(fā)展提供有效參考信息，助力橋梁技術持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。針對各種結構復雜的大跨度橋梁，隨著國內大跨橋梁建設能力持續(xù)提升，保障各種復雜橋梁和大跨橋梁安全、質量具有重要作用，為此需要借助荷載試驗實施全面檢測。借助橋梁荷載試驗，能夠有效檢測橋梁結構受力性能和施工質量，判斷橋梁結構整體承載力是否符合具體規(guī)范標準，科學判斷橋梁應用條件和運營狀況，為后續(xù)科學應用以及竣工驗收提供有效參考信息。

2 橋梁靜載試驗方法和流程

2.1 全面采集設計、施工材料

靜載試驗相關設計工作涵蓋測點布置以及荷載設計等內容。開始正式實施設計工作前，需要對橋梁結構各種施工資料和設計信息進行全面采集，相關資料包含橋梁工程不同結構部分標高、行車道標準、支座、截面尺寸以及荷載等級等內容。除此之外，還需要向設計單位尋求結構計算書。針對施工環(huán)節(jié)各種材料做好全面采集整理工作[1]。

靜載試驗中需要結合橋梁具體受力狀況和整體橋型進行合理判斷。針對簡單橋梁結構，只需選擇其中1到2個截面即可。像是簡支橋梁，選擇跨中最高正彎矩截面以及支點截面。三鉸拱橋可以選擇拱腳截面以及拱頂截面。針對各種較為復雜橋梁結構，為了對整個橋梁結構進行全面、細致的了解，需要合理選擇多種工況，具體狀況聯(lián)系跨徑和橋型進行合理選擇。例如連續(xù)橋梁可以選擇邊跨以及主跨對應跨中截面，中支點最高負彎矩截面。懸索橋以及斜拉橋除了主梁相關正負彎矩最高截面，還需要選擇橋塔塔頂最高變形工況，以及橋塔塔腳對應截面工況。針對斜橋，需要適當增加各種不利扭矩工況，曲線橋需要綜合考慮彎扭耦合等影響。

2.2 考察試驗對象

試驗環(huán)節(jié)需要系統(tǒng)考察試驗對象，具體考察內容主要包括結構物整體技術發(fā)展狀況，結構物平面尺寸、大小、高程位置和材料物理力學性能等。加載設備選擇中，對于可行式車輛加載，普遍是通過貨車裝載貨物實施加載工作，假如試驗用車輛對應規(guī)格型號不符合設計要求，可以按照標準車輛荷載狀況，對試驗車輛進行合理選擇，假如不符合相關條件，可以繼續(xù)實施換算，換算為等效試驗車輛荷載。按照計算內力影響線實施換算。當前應用較多的荷載便是汽車荷載，同時適用動載試驗以及靜載試驗。對于重物直接加載，相關重物加載單純限制于靜載試驗，屬于某種間接加載措施，可以在橋面測點提前設置支架，或直接設置于橋面。因為重物加載涉及龐大工作量，消耗過長時間，需要對相關工作進行合理安排和充分準備，預防因為加載時間過長影響最終試驗結果[2]。

2.3 分析計算

計算分析環(huán)節(jié)需要對各種材料信息數據實時仔細審核。假如計算單位所提供各種數據信息以及計算書不滿足標準要求，需要針對橋梁結構目標檢測部位實際受力狀況開展系統(tǒng)分析和準確計算，具體涵蓋各種應力數據和變位數值。做好設計單位各項計算材料復核工作。在公路橋梁相關荷載試驗規(guī)程條例中，針對靜載試驗重點荷載效率進行了明確規(guī)定，假如針對竣工或是交付工程，需要將對應荷載效率設計在0.85到1.05之間。處于其他條件下，可以把荷載效率設置在0.95到1.05之間[3]。

2.4 確定加載試驗項目

面向橋梁工程開展靜載試驗中，需要準確把握其中的重點試驗內容，檢測部位。其中試驗重點可以進一步總結為3種：第一是最高正負彎矩截面整體應力狀況；第二是最高偏載影響下橋梁結構整體受力狀況以及橫向分布系數；第三是最高剪力截面整體應力狀況。這三個方面也是保障順利實施靜載試驗的基礎條件。測點布置中，對于應變位移測點，需要在橋梁結構最大位移以及最高應變區(qū)域設置位移測點和應變測點，聯(lián)系測試內容與測試截面實施科學分配，具體布置原則是充分反饋整個橋梁結構受力特征。在設置單向應變測點中，需要綜合考慮上下分布狀況和左右對稱性，對于其中的重點部位可以適當擴大測點設置，準確反映截面高度以及應變規(guī)律特征。位移測點布置需要準確體現(xiàn)出橋梁橫向撓度整體分布規(guī)律，準確體現(xiàn)出不同荷載工況對應撓度曲線[4]。

2.5 確定控制荷載

橋梁荷載包括汽車、人群以及各種重型車輛。確定控制荷載過程中，需要對不同荷載作用下控制截面所形成內力狀況進行準確計算靜載試驗對應控制荷載是較為不利內力條件下形成荷載。在初步確定試驗荷載高低以及加載部位中，需要綜合考慮靜載試驗效率影響，大部分條件下，對應數值可以選擇在0.8到1.05之間。假如橋梁工程形成相對全面的檢算工作，具體試驗效率參數可以選擇較小值，相反條件下可以選擇較大值。大部分條件下，季節(jié)會從不同程度上影響靜載試驗結果。假如溫度狀況形成較大變化會從某種程度上削弱靜載試驗效果，為此需要綜合考慮相關影響實施靜載試驗。為有效控制外部各種元素影響，通常會選擇在天氣狀況良好以及季節(jié)溫度較為穩(wěn)定條件下實施靜載試驗[5]。

確定控制荷載，控制荷載是使橋梁結構受力處于最為不利條件下的荷載。針對橋梁開展荷載試驗中需要對相關荷載實施合理控制，將整體控制荷載以及試驗荷載差距控制在最小范圍內。在處于不同目的條件下，對應試驗荷載也各不相同。例如驗收性荷載試驗中，需要堅持設計荷載作為參考標準，荷載試驗鑒定中，密切聯(lián)系現(xiàn)實狀況實施靈活調整，為保障試驗荷載滿足具體要求，可以選擇效率系數針對試驗荷載進行準確評估。靜載試驗中，實施加載環(huán)節(jié)需要重點考慮以下3種活荷載：第一是標準計算荷載，涵蓋人群和汽車；第二是標準驗算荷載，涵蓋履帶車以及掛車；第三是特殊荷載，主要是以特殊車輛為主。

2.6 確定加載程序

為進一步提升靜載試驗安全性和穩(wěn)定加載，需要按照分級加載手段開展靜載試驗。大部分條件下，各級荷載可以直接選擇初步確定試驗荷載的20%到25%左右，劃分為4到5級實施加載處理即可。各級荷載需要合理設置間歇時間，保障設備擁有充足間歇時間。普遍需要按照結構變形狀況判斷間歇時間大小，確保各級順利施加荷載后，整個結構變形狀況能夠徹底呈現(xiàn)出來。在施加過所有荷載后，需要留出充足滿載間歇時間。同時于該段時間內開展多次結構觀測。結束觀測檢查后，還需進行全面記錄，準確把握整個結構變形狀況。如果部分橋梁建成時間較長，以及缺少完善的資料信息，可以適當擴大荷載分級數，同時在各級荷載穩(wěn)定加載后，繼續(xù)開展下級荷載的加載處理。結束加載后直接卸載。具體加載分級措施如下，按照內力影響線，對車輛分布位置進行合理設計安排，引導車輛逐一上橋，輕車優(yōu)先。具體加載時間普遍是在夜間實施，在12點到6點之間，因為該段時間內的環(huán)境溫差變化較小，能夠進一步控制溫差對于最終試驗結果的影響，合理控制對于交通環(huán)境的影響，整體加載時間可以控制在20min之內，預防橋梁長期負載所形成嚴重損傷。

2.7 測點布置

針對橋梁工程實施靜載試驗中，需要合理挑選數個測試點，對應測試點選擇中需要按照下列原則實施，第一是測點布置可少不可多，但同時需要保證充足的測點數量，預防出現(xiàn)盲目設置測點等問題，進行準確分析計算。第二是保證設計測點的代表性，保證布置測點方便安全施工和便利試驗。第四是合理布置相應數量校核性測點[6]。

在橋梁工程各個測點布置中需要重點關注下列內容，第一是科學設置撓度測點，大部分條件下，撓度測點是對橋梁結構整體側向撓度、豎向撓度以及扭轉變形等狀況進行合理檢測，結合難度測點檢測可以順利獲取受檢跨，以及對應鄰跨最高撓度值以及撓曲線。一般針對每跨需要設置3到5個測點。第二是合理設置結構應變測點，結構應變測點具體包含橫向界面抗彎應變測點以及應力應變測點。通常條件下，結構應力對應應變測點主要針對內力控制截面整體橫向應力、豎向應力分布狀況進行檢測。各個截面中豎向測點對應設置數量需要超出5個。通常橫橋向對應測點設置數量需要超出3個，對其中的最高應力分布狀況實施合理控制。

3 工程案例分析

此次工程屬于某高速公路橋梁工程，此次橋梁上部結構屬于預應力混凝土箱形組合梁，整體長度距離是20m。系統(tǒng)檢測橋梁預制箱梁過程中，可以發(fā)現(xiàn)某段預制箱梁內部分混凝土試件強度未達標，針對該種狀況決定通過靜載試驗檢測預制箱梁整體承載力，橋梁工程實際建設施工環(huán)節(jié)中，對應預制箱梁初步結束架設施工，而橋面鋪裝以及橫向連接卻尚未正式施工，導致車輛無法順利進入橋梁，針對該種狀況決定選擇有效靜載試驗措施，可以于整個預制箱梁內設置工字鋼平臺，同時利用增加沙包等措施做好加載工作，結合計算書初步確定的250KN試驗荷載，可以將其分成五級分別加載。處于滿載條件下，梁跨內對應截面彎矩是1078.125KN.M，相關靜載試驗效率可以確定為0.85。各級荷載施加對應間歇時間控制在10～15min之間，滿載后對應持荷時間在0.5～1h之間，卸載后持續(xù)觀測0.5～1h左右。于梁跨中斷面總計設置10個應變測點，順著梁縱向單側設置5個撓度測點，并于支承兩墩臺內分別設置一個變形觀測點。通過分析發(fā)現(xiàn)基于最高試驗荷載下，箱梁相關技術指標滿足具體規(guī)范標準，證明結構運行狀態(tài)符合基礎設計要求。

4 結束語

綜上所述，靜載試驗是對橋梁整體承載力進行檢測的有效方法，在橋梁中加載等效荷載，能夠對橋梁結構變形和應變力進行準確檢測，能夠科學判斷橋梁結構性能。為此，橋梁工程中需要相關技術人員準確把握靜載試驗操作流程和操作方法，針對橋梁工程實施科學檢測，保障橋梁工程穩(wěn)定性和安全性。