橋梁荷載試驗的研究

吳英蘭

【摘要】橋梁定期檢查中需進(jìn)一步判明其缺損狀況、承載能力的橋梁需進(jìn)行現(xiàn)場橋梁荷載試驗檢測、驗算及分析，以確保橋梁的使用安全。

【關(guān)鍵詞】技術(shù)狀況;特殊檢查;荷載試驗;承載能力

一直以來，橋梁的突然斷裂、垮塌等各種事故給人員、車輛的安全及經(jīng)濟(jì)均帶來了巨大的損失，社會影響極大，現(xiàn)役橋梁的安全一直是關(guān)注的重點。現(xiàn)對橋梁的現(xiàn)場荷載試驗進(jìn)行初步的研究，為檢驗橋梁是否具備足夠的承載能力儲備提供一定的技術(shù)支持。

1、現(xiàn)場荷載試驗注意事項

1.1試驗橋孔選擇

橋梁試驗橋孔應(yīng)具有受力性能的代表性，即結(jié)構(gòu)受力最不利、技術(shù)狀況較差、損失缺陷突出的橋孔。

簡支結(jié)構(gòu)橋梁不同跨徑可各選取一跨;連續(xù)結(jié)構(gòu)的橋梁不同跨徑組合各一聯(lián)。

1.2試驗環(huán)境的特殊需求

高溫、強(qiáng)光、強(qiáng)風(fēng)、大浪、高濕度會影響試驗的實施，現(xiàn)場荷載試驗應(yīng)避開極端天氣，選擇天氣條件較平穩(wěn)的時段進(jìn)行。

沖擊、振動、強(qiáng)磁場會干擾試驗的結(jié)果，現(xiàn)場荷載試驗應(yīng)避免該干擾時段。

為得到真實有效的測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場荷載試驗應(yīng)在封閉交通狀態(tài)下實施。

考慮道路交通實際運營情況，減少因封閉交通帶來的經(jīng)濟(jì)損失及社會影響，現(xiàn)場荷載試驗可盡量選擇溫度波動較小的夜間進(jìn)行。

2、橋梁靜載試驗

以某特大橋（23x20+14x30+29x20）為例，簡要介紹該橋梁靜載試驗的實施過程。

該橋修建于1975年，20m和30m跨徑均為簡支結(jié)構(gòu)。后期荷載等級提高20m新建連續(xù)結(jié)構(gòu)，30m簡支轉(zhuǎn)換為連續(xù)結(jié)構(gòu)。

2.1測試截面選擇

測試截面按最不利受力原則選取。

簡支結(jié)構(gòu)橋梁選取20m、30m各一跨，測試截面選取跨中最大正彎矩截面、L/4處最不利彎剪組合截面、支點最大剪力截面。

連續(xù)結(jié)構(gòu)橋梁，選取20m跨徑、30m跨徑各三孔一聯(lián)，測試截面選取主跨中支點截面（最大負(fù)彎矩）、主跨最大彎矩截面、邊跨最大彎矩截面、邊跨邊支點最大剪力截面。

對于既有橋梁，根據(jù)橋梁的實際狀況，結(jié)構(gòu)損傷部位應(yīng)增加測試截面。

2.2試驗工況

橋梁設(shè)計一般由最不利工況（偏載）控制的，為了使橋梁實際的內(nèi)力分布更貼合于設(shè)計狀態(tài)，采用偏載試驗工況。考慮橋梁的實際運營過程，中載試驗工況亦應(yīng)考慮。

2.3測試內(nèi)容

應(yīng)力（應(yīng)變）的觀測主要針對測試截面的受拉或受壓區(qū)，沿測試控制截面高度或橫向位置布置測點，通過測點的應(yīng)力測試反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力的狀況。

簡支結(jié)構(gòu)測試內(nèi)容：跨中截面撓度和應(yīng)力（應(yīng)變）、支點沉降、混凝土梁體裂縫、支點斜截面應(yīng)力（應(yīng)變）。

連續(xù)結(jié)構(gòu)測試內(nèi)容：主跨最大正彎矩截面應(yīng)力（應(yīng)變）和撓度、邊跨最大正彎矩截面應(yīng)力（應(yīng)變）和撓度、支點沉降、混凝土梁體裂縫、主跨支點斜截面應(yīng)力（應(yīng)變）。

2.4有限元計算

在靜載試驗之前，需采用橋梁專用有限元程序MIDAS建模，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。計算橋梁在各荷載組合作用下的軸力、彎矩、應(yīng)力及位移包絡(luò)圖，根據(jù)包絡(luò)圖確定橋梁的最不利截面，同時選取受力復(fù)雜的截面，并將這些截面作為控制截面。計算出各控制截面的內(nèi)力影響線，并進(jìn)行靜力加載計算，給出加載輪位布置圖，作為靜載試驗加載依據(jù)。

計算荷載：簡支結(jié)構(gòu)采用原設(shè)計荷載汽車-20級，掛車-100;連續(xù)結(jié)構(gòu)采用提級后公路-Ⅰ級。

橫向分布系數(shù)：跨中采用剛性橫梁法計算，支點附近采用杠桿法計算。

沖擊系數(shù)：按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》取用。

2.5橋梁檢算

對于既有橋梁經(jīng)過多年的實際運營，橋梁結(jié)構(gòu)存在損傷現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)橋梁的實際情況，對橋梁結(jié)構(gòu)的抗力進(jìn)行折減，承載能力檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)、鋼筋截面折減系數(shù)及活載影響系數(shù)按《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》取用。

試驗加載效率：按照公路橋梁荷載試驗規(guī)程要求，取用0.95～1.05。

綜合考慮橋梁構(gòu)件表觀缺損狀況、材質(zhì)強(qiáng)度和橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率確定構(gòu)件承載能力檢算系數(shù)評定標(biāo)度 D，然后根據(jù)承載能力檢算系數(shù)評定標(biāo)度得出檢算系數(shù) Z1。

簡支結(jié)構(gòu)：20mT梁（1.02），30mT梁（1.13）。

連續(xù)結(jié)構(gòu)：20mT梁（1.07），30mT梁（1.07）。

承載能力惡化系數(shù)考慮了構(gòu)件缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子含量以及混凝土強(qiáng)度和碳化狀況等影響因素，并綜合環(huán)境條件（本橋取干、濕交替，凍，無侵蝕性介質(zhì)）加以確定。

簡支結(jié)構(gòu)：20mT梁（0.107），30mT梁（0.086）。

連續(xù)結(jié)構(gòu)：20mT梁（0.0），30mT梁（0.068）。

綜合考慮材料風(fēng)化、碳化、物理與化學(xué)損傷三項檢測指標(biāo)的評定標(biāo)度，得出截面損傷的綜合評定標(biāo)度 R，最終確定截面折減系數(shù)ξc。

簡支結(jié)構(gòu)：20mT梁（0.98），30mT梁（0.98）。

連續(xù)結(jié)構(gòu)：20mT梁（1.00），30mT梁（0.991）。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，原橋簡支T梁裂縫寬度小于限值，所以簡支結(jié)構(gòu)20m、30mT梁鋼筋截面折減系數(shù)ξs均取0.98。改建后該橋T梁局部鋼筋銹脹，引起砼剝落，因此連續(xù)結(jié)構(gòu)20m、30mT梁鋼筋截面折減系數(shù)ξs=0.99。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，簡支結(jié)構(gòu)荷載試驗檢測時，交通量影響修正系數(shù) ξq1=1.0;大噸位車輛混入影響修正系數(shù)ξq2=1.027;軸荷分布影響修正系數(shù)保守按ξq3=1.16 計算;綜上，活載影響修正系數(shù)ξq=1.06。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，連續(xù)結(jié)構(gòu)荷載試驗檢測時，交通量影響修正系數(shù)ξq1=1.0;大噸位車輛混入率為 0.27，大噸位車輛混入影響修正系數(shù)ξq2=1.0;軸荷分布影響修正系數(shù)按ξq3=1.0 計算;綜上，活載影響修正系數(shù)ξq=1.0。

2.6橋梁承載能力評估

以中梁為例（計算結(jié)果邊梁數(shù)值略小于中梁）。

簡支結(jié)構(gòu)承載能力計算結(jié)果表：

連續(xù)結(jié)構(gòu)承載能力計算結(jié)果表：

以上計算表明，上部簡支結(jié)構(gòu) 20mT 梁在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下跨中正截面抗彎及支點附近斜截面抗剪承載能力不滿足原設(shè)計荷載等級的要求;簡支結(jié)構(gòu) 30mT 梁、連續(xù)結(jié)構(gòu)20m、30m預(yù)應(yīng)力混凝土 T 梁在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下跨中正截面抗彎及支點附近斜截面抗剪承載能力均滿足各自的設(shè)計荷載等級的要求。

2.7檢測結(jié)論

根據(jù)承載能力的檢測結(jié)果，我們可以明確的對橋梁結(jié)構(gòu)的實際使用狀況進(jìn)行判斷，從而對橋梁結(jié)構(gòu)后續(xù)使用或改建提出合理性建議。如上述結(jié)果，簡支結(jié)構(gòu)20m跨徑橋梁明顯不能繼續(xù)使用，改建為20m連續(xù)結(jié)構(gòu)，30m結(jié)構(gòu)加固并進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。檢測數(shù)據(jù)表明，改建后的20m、30m跨徑均滿足承載能力要求，可繼續(xù)使用。

結(jié)語：

目前，橋梁的運營過程中重車超載現(xiàn)象屢禁不止，公路橋梁中的危橋數(shù)量也不可能完全消除，這些都不可避免的給橋梁整體安全帶來極大的安全隱患。因此及時的了解橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀況，從根本上杜絕橋梁的突然破壞，減少社會影響及經(jīng)濟(jì)損失，橋梁荷載試驗具有重大的意義。

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