靜載試驗在石梁橋承載能力評估中的應(yīng)用研究

宋萬平

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市 200444）

靜載試驗在石梁橋承載能力評估中的應(yīng)用研究

宋萬平

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市 200444）

橋梁靜載試驗是測量橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的應(yīng)變和撓度，它是了解橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)的最直接有效的方法。通過對花崗巖石梁橋的石材彎曲抗拉強度、彈性模量試驗方法，以及靜載試驗在石梁橋檢測中的應(yīng)用，并將實測石梁的應(yīng)變和撓度與理論計算結(jié)果進行比較分析，評估石梁橋的承載能力。

石梁橋；靜載試驗；應(yīng)變；撓度；承載能力評估

1 概述

我國江南水鄉(xiāng)古鎮(zhèn)的“小橋、流水、人家”總是令游人流連忘返，而古鎮(zhèn)上能保留下來的“小橋”以石橋居多，我們走過這些石橋的時候是否想過這些石橋安全嗎？石橋分為石拱橋和石梁橋，石拱橋只要其基礎(chǔ)不發(fā)生變位（水平位移、豎向位移及拱腳轉(zhuǎn)動）、主拱圈不變形，則石拱橋就能夠發(fā)揮其石材良好的抗壓性能，一般能夠滿足設(shè)計要求。與石拱橋不同，石梁橋則主要是利用其最不擅長的抗拉性能，而石材的斷裂常常是脆性破壞，所以石梁橋的安全問題令人較為擔憂，而石梁橋的承載能力的評估甚至是橋梁專業(yè)檢測機構(gòu)較為頭痛的問題。若參考《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D61-2005）中抗拉強度最高的MU120石材取值（其抗拉強度設(shè)計值僅為2.18MPa）進行石橋的抗拉強度理論計算，大部分石梁橋橋無法滿足自重作用下的承載要求，但江南古鎮(zhèn)花崗巖石梁橋正常服役已多年，尚未見有影響橋梁承載能力的缺陷或病害，可見這些石梁橋石材實際抗拉強度較規(guī)范明顯要高。如要了解石梁橋的實際承載能力，首先應(yīng)確定其石材的實際彎曲抗拉強度。本文通過對石梁橋石材進行室內(nèi)試驗進而測得石材的實際彎曲抗拉強度及彈性模量，再通過現(xiàn)場靜載試驗對石梁橋的實際承載能力進行了測試，評估石梁橋的承載能力。

2 石梁橋石材彎曲抗拉強度及彈性模量試驗測定

2.1 試驗依據(jù)

本次試驗參考《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTG E41-2005）抗折強度試驗（T0226-1994）測得石板梁標準試件的極限彎曲抗拉強度和彈性模量。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》（1975年）（注：以下統(tǒng)稱為75規(guī)范）條文說明可知，石材容許應(yīng)力為石材強度除以安全系數(shù)，本次石材強度采用試驗中測得的試件極限彎曲抗拉強度，根據(jù)“75規(guī)范”規(guī)定石材彎曲抗拉容許應(yīng)力的安全系數(shù)采用3.0，從而推算出石板梁石材的彎曲抗拉容許應(yīng)力值。

2.2 試驗的基本假定

由于石梁橋主梁石材的組織構(gòu)造及其物理性質(zhì)十分復雜，為了抽象成理想的模型，對主梁石材作出下列基本假設(shè)[1]：

（1）連續(xù)性假設(shè)：假設(shè)主梁石材內(nèi)部充滿了物質(zhì)，沒有任何空隙。主梁石材內(nèi)存在著微小空隙，但這些空隙的大小比主梁石材的尺寸小得多，可不考慮空隙的存在，認為主梁石材是連續(xù)的。

（2）均勻性假設(shè)：假設(shè)主梁石材內(nèi)各處的力學性質(zhì)是完全相同的。花崗巖一般由長石和石英組成，攙雜少量的云母和微量礦物質(zhì)，它們的性質(zhì)各不相同，但由于組成主梁石材的物質(zhì)大小和主梁石材的尺寸相比很小，而且是隨機排列的，因此，可以將主梁石材的性質(zhì)看作各組成部分物質(zhì)的統(tǒng)計平均量，認為主梁石材是均勻的。

（3）各向同性假設(shè)：假設(shè)材料在各個方向的力學性質(zhì)均相同。

2.3 試驗方法和過程

為了解石梁橋主梁石材的彎曲抗拉強度性質(zhì)，現(xiàn)場在石梁橋支點后部受力較小的部位鉆取芯樣并進行試驗，每組3個芯樣，共計6個芯樣（見圖1），第一組芯樣編號為1-1#～1-3#，第二組芯樣編號為2-1#～2-3#。取芯完成后對芯樣孔進行了修復。

圖1 石梁橋主梁石材芯樣實景照

根據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTGE41-2005）將各芯樣加工成棱柱體試件（試件長L= 160mm，寬B=40mm，高H=20mm），通過對試件進行彎曲抗拉強度試驗，測得石板梁的極限彎曲抗拉強度。

將石材試件置于固定的兩個支點上，然后在其頂緣中點施加集中荷載，分級加載，直至試件底緣受拉斷裂，記錄此時的破壞荷載P，通過彈性力學方法求得試件底緣的極限彎曲抗拉強度。其計算公式為：

式中：Rb為石材極限彎曲抗拉強度（MPa）；P為破壞荷載（N）；L為支點跨距（mm），采用140mm；b為試件斷面寬度（mm）；h為試件斷面高度（mm）。

試驗前在每個石材試件跨中截面底緣粘貼3個應(yīng)變片，根據(jù)試驗中每級加載測得各試件跨中底緣的應(yīng)變，可推算出各試件的彈性模量。石材彎曲抗拉強度試驗裝置示意見圖2，試驗實景照見圖3。

2.4 試驗結(jié)果與分析

試驗中對各試件分級加載，并在加載過程中記錄每級荷載大小和荷載作用下試件跨中截面底緣應(yīng)變，按照式（1）計算得出各級荷載作用下試件跨中底緣應(yīng)力，從而繪制試件跨中截面底緣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（見圖4和圖5）。試件跨中截面底緣受拉斷裂時荷載即為破壞荷載，其對應(yīng)的試件跨中底緣應(yīng)力即為石材的極限彎曲抗拉強度。

圖2 石材彎曲抗拉強度試驗裝置示意圖（單位：mm）

圖3 石材彎曲抗拉強度試驗實景照

分析各試件跨中截面底緣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可知，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分為三個階段：（1）彈性階段：試驗加載初期應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近直線；（2）彈塑性階段：當試驗荷載達到一定數(shù)值后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨著應(yīng)力的增大而逐漸偏離直線，任意一點的應(yīng)變可分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分；（3）破壞階段：直至加載到試件破壞，得到石材極限彎曲抗拉強度。本次選取應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中的直線部分（彈性階段）計算其彈性模量。

根據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTGE41-2005）規(guī)定，本次試驗取兩組試件（共6個），以3個試件的算術(shù)平均值作為試驗結(jié)果，如單個值與平均值之差大于25%，則予以剔除，再計算其平均值。測試結(jié)果見表1和表2。

圖4 第一組試件跨中截面底緣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5 第二組試件跨中截面底緣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

表1 石材極限彎曲抗拉強度測試結(jié)果

表2 石材彈性模量測試結(jié)果

本次試驗石材極限彎曲抗拉強度偏安全考慮采用兩組試件測試結(jié)果的較小值，由表1可知石材極限彎曲抗拉強度為11.1MPa，根據(jù)“75規(guī)范”規(guī)定安全系數(shù)為3.0，從而推算出石材的彎曲抗拉容許應(yīng)力為3.70MPa；由于各試件彈性模量測試結(jié)果有一定的離散性，故本次彈性模量取兩組試件的平均值，由表2可知石材彈性模量為20000MPa。

2.5 試驗結(jié)論

本次試驗對兩座石梁石材進行極限彎曲抗拉強度和彈性模量測試，得出石材極限彎曲抗拉強度為11.1MPa，彎曲抗拉容許應(yīng)力為3.70MPa，彈性模量為20000MPa。其他石梁橋可以根據(jù)類似方法測試石材的彎曲抗拉容許應(yīng)力和彈性模量。

3 石梁橋現(xiàn)場靜載試驗

靜載試驗是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下橋梁工作狀態(tài)與運營性能的有效手段。通過對橋跨結(jié)構(gòu)進行靜荷載加載，測量試驗荷載作用下主梁控制截面的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度等指標是否滿足規(guī)范要求。

3.1 工程概況

某花崗巖石梁橋為一座三跨簡支板梁橋，跨徑組合為4.0m+6.0m+4.0m，橋面總寬為1.72m。該橋上部結(jié)構(gòu)每跨均由3榀梁組成，兩邊梁為石板梁，中梁為鋼筋混凝土T梁。本次針對上部結(jié)構(gòu)較寬的石梁進行靜載試驗。

3.2 測試斷面和測點布置

根據(jù)簡支梁橋結(jié)構(gòu)受力特性，本次試驗測試該石梁橋?qū)挾容^寬的石板梁進行荷載試驗，上部結(jié)構(gòu)石梁跨中斷面應(yīng)變和撓度，測試斷面和測點布置示意見圖6和圖7。

圖6 某花崗巖石梁橋上部結(jié)構(gòu)石梁測試斷面示意圖（單位：mm）

圖7 某花崗巖石梁橋上部結(jié)構(gòu)石梁測點布置示意圖（單位：mm）

3.3 加載載位及試驗效率

靜載試驗主要是檢驗該橋在接近設(shè)計荷載的基本試驗荷載作用下，橋梁的變形及主要受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，也稱基本荷載試驗，一般要求試驗荷載在結(jié)構(gòu)主要控制截面上所產(chǎn)生的效應(yīng)與設(shè)計荷載所產(chǎn)生的相應(yīng)效應(yīng)接近，其接近的程度是采用試驗荷載效率系數(shù)ηq表示，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]應(yīng)滿足0.95～1.05。

該橋無設(shè)計與竣工資料可參考，根據(jù)現(xiàn)場人群荷載集度調(diào)查情況，確定該橋目標荷載為2.0kN/m2。本次試驗采用人群荷載2.0kN/m2作為期望荷載，并分級加載控制，其靜載試驗效率見表3。靜載試驗采用重物分級加載，重物加載位置見圖8。

表3 靜載試驗效率系數(shù)

圖8 跨中最大正彎矩斷面加載位置示意圖（單位：mm）

由表3可知，本次靜載試驗效率系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定的0.95～1.05的要求。

3.4 試驗結(jié)果分析

橋梁靜載試驗中常用結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)、相對殘余變形（應(yīng)變）等評判橋梁的承載能力和工作狀態(tài)[2]。

根據(jù)石材彎曲抗拉強度及彈性模量試驗測得成果，采用 MIDAS/Civil軟件建立有限元計算模型。通過理論計算可得該橋在試驗荷載作用下石梁跨中測點效應(yīng)的理論值，將試驗實測值與理論值比較可得各測點效應(yīng)的校驗系數(shù)。

試驗荷載下主梁跨中測試斷面結(jié)果見表4～表7。

表4 石梁跨中截面梁底應(yīng)力及校驗系數(shù)

表5 石梁跨中截面撓度及校驗系數(shù)

表6 測點應(yīng)力相對殘余變形

表7 測點撓度相對殘余變形

從表4～表7可得出以下幾點結(jié)論：

（1）靜載試驗中橋梁結(jié)構(gòu)各應(yīng)力及撓度測點的校驗系數(shù)均小于1.0，說明石梁滿足強度要求，有一定的安全儲備。

（2）靜載試驗中橋梁結(jié)構(gòu)各測點的相對殘余變形（應(yīng)力）均小于20%，表明石梁在試驗荷載下基本處于彈性工作狀態(tài)。

（3）試驗荷載推算至人群荷載2.0kN/m2作用下石梁跨中實測撓度遠小于規(guī)范規(guī)定的限值，表明石梁豎向剛度良好。

綜上所述，在正常使用極限狀態(tài)下，石梁橋上部結(jié)構(gòu)石梁能夠滿足人群荷載2.0kN/m2的正常使用要求。

4 結(jié) 語

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)也得到長足發(fā)展，橋梁安全也受到社會的廣泛關(guān)注，我們重點關(guān)注大橋、特大橋及特殊結(jié)構(gòu)的橋梁安全的同時，旅游景區(qū)的石梁橋的安全也不可忽視，畢竟景區(qū)內(nèi)人流集中，且石梁橋石材抗拉性能偏弱。通過對石梁橋石材抗拉性能的研究，并結(jié)合現(xiàn)場荷載試驗，準確評估石梁橋的承載能力，為橋梁管養(yǎng)部門提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

[1]徐道遠,黃孟生,朱為玄,等.材料力學[M].江蘇南京：河海大學出版社,2004.

[2]JTG/TJ21-2011,公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

U446

：B

：1009-7716（2017）02-0076-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.023

2016-12-06

宋萬平（1981-），男，安徽利辛人，工程師，從事橋梁檢測和承載力評估工作。