舊橋靜載試驗及評定

余西成

(武漢輕工大學(xué)土建學(xué)院，湖北武漢 430023)

0 引言

由于最近30年來交通量逐年增加，車輛超載的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，大量的橋梁在超負(fù)荷運營，橋況已難以承受未來交通量增長帶來的壓力，為確定永清橋能否滿足最新規(guī)范的荷載標(biāo)準(zhǔn)，確定升級改造的必要性，本文將以永清大橋檢測項目為工程實例，對該橋進(jìn)行了詳細(xì)的檢測與靜載試驗，并按公路—Ⅰ級荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了承載能力鑒定。總結(jié)了相關(guān)的測試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分析處理，詳細(xì)介紹公路舊橋的靜載試驗技術(shù)和評定。

1 大橋概況

永清大橋修建于1988年。查閱當(dāng)年的設(shè)計文件，得到荷載設(shè)計等級為汽—20級、掛車—100。橋上部結(jié)構(gòu)為5×20 m鋼筋混凝土簡支T梁，T梁中心間距1 600 mm，梁高1 200 mm，橋面鋪裝采用水泥混凝土。大橋經(jīng)過30多年的運營，出現(xiàn)了諸多病害和安全隱患，例如橋面鋪裝出現(xiàn)多條大尺寸縱向貫通裂縫，鋼筋混凝土表面破損嚴(yán)重;伸縮縫損傷較重，且出現(xiàn)了坑槽及明顯的跳車現(xiàn)象;同時橫隔板連接處鋼板破壞嚴(yán)重等等，造成了嚴(yán)重的交通安全隱患。因此，我們對大橋的上構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢測、評定，為今后的加固工程提供依據(jù)，以提高橋梁工作性能和結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況。

2 大橋檢測

2.1 檢測目的

針對橋梁結(jié)構(gòu)形式和特點，通過全面的質(zhì)量檢測達(dá)到如下目的:

對永清大橋空心板梁進(jìn)行檢測包括裂縫分布、鋼筋位置和保護(hù)層、梁體破損等，全面評估結(jié)構(gòu)的安全現(xiàn)狀，為今后結(jié)構(gòu)的分析鑒定和日后的維修養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。利用靜載試驗實測橋梁結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)，將實測值跟理論計算值進(jìn)行比較，分析橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，評定營運荷載等級。通過本次觀測所積累的數(shù)據(jù)，監(jiān)測今后結(jié)構(gòu)能否穩(wěn)定安全服役，為今后的橋梁維修、補(bǔ)強(qiáng)和構(gòu)件更換提供技術(shù)依據(jù)。

2.2 靜載試驗方案設(shè)計

為了更好地評定結(jié)構(gòu)在公路—Ⅰ級荷載下的實際工作狀況和承載能力，我們對該橋進(jìn)行了靜載試驗。

2.3 靜載試驗項目、測點布置與試驗儀器

靜載試驗項目:本試驗屬鑒定性試驗，布設(shè)3個主要內(nèi)力控制截面，2個附加控制截面，主要測試項目如下:

試驗荷載作用下跨中截面最大應(yīng)力(或應(yīng)變)，用以判斷混凝土的應(yīng)力狀態(tài);試驗荷載作用下跨中截面的最大撓度，用以衡量橋梁結(jié)構(gòu)的實際剛度水平;試驗荷載作用下支點截面的撓度和變形;試驗荷載作用下梁體裂縫擴(kuò)展情況;試驗荷載下跨中截面撓度的橫向分布規(guī)律;試驗荷載作用下主梁撓度的縱向分布;試驗荷載作用下橋墩豎向最大沉降量。

測試截面情況如下:根據(jù)簡支梁橋的受力特點，跨中截面和支點附近斜截面是內(nèi)力(或位移)控制截面，因此，本次試驗選擇試驗孔跨中截面為應(yīng)變和撓度的測試截面，支點附近斜截面為剪切應(yīng)變測試截面。

測試點的布控和選擇情況如下:本試驗主要以南邊1號、2號、3號、4號、5號梁為檢測標(biāo)的，利用檢測設(shè)備，在不同等級工況作用下，分別進(jìn)行應(yīng)變、撓度的測試，各測點具體設(shè)置如下:

1)應(yīng)變試驗的布置情況。

1號、2號、3號、4號、5號梁跨中，1號、2號、3號、4號、5號梁L/4截面。應(yīng)變片直接粘貼在梁體上，T梁翼緣底面和腹板底面各貼一片;1號梁南支點處剪切應(yīng)變測試;北邊第一孔(1號孔)即試驗孔的1號墩北立柱應(yīng)變測試;1號梁跨中處腹板側(cè)面，2號梁L/4截面處腹板側(cè)面應(yīng)變測試，以驗證平截面假定。

在跨中截面各片T梁的腹板及底板上布設(shè)應(yīng)變測點。

2)撓度測點的布置情況。

1號、2號、3號、4號、5號、梁跨中以及1號、2號、3號、4號、5號梁L/4，3L/4截面以及兩支點各布置一個百分表來進(jìn)行豎向撓曲測試。

2.4 試驗采用的儀器設(shè)備

1)應(yīng)變測試。

梁體表面應(yīng)變采用膠基應(yīng)變片，靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)、計算機(jī)及其配套設(shè)備。

2)撓度測試。

主梁撓度采用數(shù)顯百分表和機(jī)械式百分表(測試精度0.01 mm)、精密水準(zhǔn)儀、鋼尺。

3)裂縫觀測。

采用裂縫觀測儀觀測裂縫。

2.5 試驗荷載及分布

試驗荷載:本橋主梁的荷載試驗采用等效荷載作為檢測用荷載。荷載試驗我們選用與設(shè)計荷載活載汽—20接近的重車組作為試驗荷載。

2.6 試驗布點位置與分級

本橋試驗荷載采用6個荷載試驗工況，實際檢測流程如下:

首先獲得支點處的最大豎向支反力工況→測試支座處最大剪力的工況→測試梁體跨中L/4處最大正彎矩，中載布置工況→檢測舊橋梁體處L/4處最大正彎矩，偏載布置工況→檢測橋梁跨中最大彎矩，中載布置工況→最后檢測跨中最大彎矩，偏載布置工況。

在現(xiàn)實檢測過程中，保持逐級加載的方式，各加載等級之間不卸載，一直到測試全部完成后，最后一次卸載。

支點最大豎向力工況加載等級Ⅰ為2輛加載車橫向并列布置，加載等級Ⅱ為4輛加載車兩行兩列布置;支點最大剪力工況加載等級Ⅰ為2輛加載車橫向并列布置，加載等級Ⅱ為4輛加載車兩行兩列布置;橋梁L/4處最大正彎矩，偏載布置工況加載等級Ⅰ為2輛加載車并列布置在橋面一側(cè)，加載等級Ⅱ為2輛加載車前后布置在橋面一側(cè);橋梁L/4處最大正彎矩，中載布置工況加載等級Ⅰ為2輛加載車并列布置在橋面中間位置，加載等級Ⅱ為4輛加載車兩行兩列布置在橋面中間位置;跨中最大彎矩，中載布置工況加載等級Ⅰ為2輛加載車并列布置在橋面中間位置，加載等級Ⅱ為4輛加載車兩行兩列布置在橋面中間位置;跨中最大彎矩，偏載布置工況加載等級Ⅰ為1輛加載車布置在跨中位置，加載等級Ⅱ為2輛加載車并列布置在跨中位置，加載等級Ⅲ為2輛加載車前后布置，加載等級Ⅳ為4輛加載車兩行兩列布置。

3 靜載試驗過程

由于該橋運營已有30多年，橋上交通量大而且超載運輸車輛較多，在試驗前不需要預(yù)壓，而直接進(jìn)入加載過程。本試驗的流程如下。

3.1 試驗儀器準(zhǔn)備工作

由于設(shè)備儀器的準(zhǔn)確程度，關(guān)系到試驗結(jié)果的好壞。試驗前，試驗工作人員對所有測試儀器、設(shè)備進(jìn)行了仔細(xì)的檢查、標(biāo)定與調(diào)試，然后在正式試驗開始前，事先用一輛荷載試驗車進(jìn)行了預(yù)加載工作。

3.2 靜載初讀數(shù)

靜載初讀數(shù)是試驗正式開始時的零荷載讀數(shù)。開始處讀數(shù)標(biāo)志著荷載試驗的正式開始，測量、讀數(shù)記錄人員進(jìn)入現(xiàn)場各司其職，同時要密切注意人員移動過程中避開檢測支架。

3.3 加載過程

在正式加載試驗前，針對不同的加載項目，按照試驗方案用醒目顏色的油漆在橋上標(biāo)記詳細(xì)加載位置，同時安排專人指揮加載車輛的停放。施加每級荷載后，即可進(jìn)行初讀數(shù)。每級荷載后的初讀數(shù)是檢驗終讀數(shù)正確與否、判斷結(jié)構(gòu)是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的重要手段。

3.4 穩(wěn)定讀數(shù)

按照慣例，試驗以控制點的應(yīng)變值或撓度值穩(wěn)定為準(zhǔn)，只要讀數(shù)波動值在測試儀器的量程范圍之內(nèi)，就可以進(jìn)行穩(wěn)定讀數(shù)。

3.5 卸載后讀數(shù)

測試結(jié)束后，加載車輛退出試驗橋，待穩(wěn)定后，各測點要回零值。靜載試驗進(jìn)程中，實驗人員密切重視所有關(guān)鍵控制點的檢測結(jié)果數(shù)值，如果出現(xiàn)異常情況，如與計算值偏離較大、不符合規(guī)律、儀器故障等，要重新加載測試，以避免實測資料出現(xiàn)差錯。

4 靜載試驗成果與分析

本試驗采用原規(guī)范的等效荷載，對舊橋進(jìn)行靜載試驗。

4.1 主梁撓度結(jié)果分析

主梁撓度檢測結(jié)果如下:

跨中最大彎矩偏載工況撓度結(jié)果:主梁撓度采用百分比測量，對5片主梁全部進(jìn)行了撓度檢測，跨中最大彎矩偏載工況下，各梁撓度實測值見表1。

表1 跨中最大彎矩偏載下各梁撓度測試值

主梁撓度殘余變形結(jié)果:主梁控制測點的相對殘余變位的大小直接反映了結(jié)構(gòu)的彈性工作狀況，相比于殘余變位越小，則說明結(jié)構(gòu)近似于彈性工作狀態(tài)，通常要求卸載后相對殘余變形和最大試驗值的比值不大于20%，在試驗荷載卸載后，各測點的殘余撓度值很小，小于0.1 mm，故滿足要求。

4.2 裂紋檢測

在加載試驗過程中試驗員用專用刻度放大鏡對1號梁跨中截面彎曲裂縫進(jìn)行了測量。在整個加載試驗過程中，主梁表面沒有出現(xiàn)新的可視裂縫，原有的裂縫寬度擴(kuò)展明顯，長度無明顯擴(kuò)展?？缰凶畲髲澗仄d工況下，加載前裂縫寬度 0.04 mm，一級、二級、三級裂縫寬度分別為0.09 mm，0.12 mm，0.15 mm，最大加載等級下裂縫寬度達(dá) 0.19 mm，盡管加載過程中裂縫寬度呈現(xiàn)明顯增加的趨勢，但卸載后基本能夠恢復(fù)，表明其已大體穩(wěn)定。

5 舊橋的評定

5.1 橋梁技術(shù)狀況評價

橋梁部件缺損狀況評定標(biāo)準(zhǔn)和方法，橋梁各部件技術(shù)狀況的評定按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行:首先根據(jù)缺損程度、缺損時結(jié)構(gòu)使用功能的影響程度和缺損發(fā)展變化狀況累加平分方法對各部件缺損狀況作出等級評價，與此同時，重要構(gòu)件以其中缺損最嚴(yán)重的構(gòu)件評分，其他部件根據(jù)多數(shù)構(gòu)件缺損狀況評分。

對橋梁的各部件進(jìn)行標(biāo)度評定后，再根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中采用考慮各部件權(quán)重的綜合判斷方法并輔以按部件評定的方法對橋梁的總體技術(shù)狀況進(jìn)行等級評定。

橋梁整體技術(shù)狀況評定情況:

永清大橋根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》的橋梁使用功能評價結(jié)果即各部件權(quán)重及其相應(yīng)的得分和全橋總體質(zhì)量狀況的評定，可知該橋總體質(zhì)量狀況得分為53.5分，橋梁技術(shù)狀況評定等級分為五類，根據(jù)各部件權(quán)重的綜合評定方法該橋評為三類橋，需根據(jù)實際對橋梁進(jìn)行定期觀測或中修。

5.2 橋梁工作狀況評價

通過對全橋各構(gòu)件的檢查評定和分析，發(fā)現(xiàn)永清大橋行車道橋面鋪裝磨損及縱橋向開裂、坑槽較嚴(yán)重;人行道護(hù)欄破損及缺失嚴(yán)重;伸縮縫存在斷裂缺失;橫隔梁鋼板搭接出現(xiàn)普遍的斷裂破壞，橫向聯(lián)系嚴(yán)重削弱，主梁出現(xiàn)規(guī)則的彎曲裂縫和剪切裂縫。從保證橋梁的安全性和耐久性出發(fā)，需要盡快對其進(jìn)行改善或處置。

6 檢測與試驗結(jié)論

通過永清大橋的現(xiàn)場檢測試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，經(jīng)分析可以得出以下結(jié)論:

1)本次靜載試驗屬承載能力鑒定試驗，規(guī)范規(guī)定靜載試驗效率應(yīng)介于0.85～1.05之間。本次試驗中1號主梁跨中最大彎矩加載工況的計算試驗荷載效率為1.5，大于規(guī)范建議值，所以完全滿足公路Ⅰ級荷載的鑒定要求。

2)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)顯示表明，在承受較大的試驗荷載，舊橋的工作性能也較好，基本處于彈性工作范圍。在試驗過程中，由于荷載試驗效率較大，主梁梁肋的彎曲裂縫寬度明顯擴(kuò)展，但裂縫高度并未發(fā)展，卸載后，裂縫可完全恢復(fù);試驗橋孔的橋墩產(chǎn)生了最大為0.41 mm的沉降，卸載后可基本恢復(fù);在跨中最大彎矩中載工況下，跨中最大撓度為15.11 mm，小于規(guī)范規(guī)定的L/600的撓度極限。

綜上所述，永清大橋的承載能力完全達(dá)到公路—Ⅰ級荷載等級的要求，且使用性能良好。在檢算荷載作用下，主梁和基礎(chǔ)承載能力能夠滿足現(xiàn)行橋梁檢測、設(shè)計規(guī)范的要求，可以繼續(xù)使用。但鑒于該橋按原橋規(guī)汽車—20、掛車—100設(shè)計，設(shè)計荷載等級偏低，且通行車輛較多，已出現(xiàn)如下病害:橋面鋪裝破損嚴(yán)重，沿T梁翼緣板接縫處出現(xiàn)多條嚴(yán)重的縱向開裂，梁底接縫處存在較為明顯的泛白、漏水現(xiàn)象;上部結(jié)構(gòu)橫隔梁鋼板搭接出現(xiàn)普遍的斷裂破壞，導(dǎo)致橫向聯(lián)系嚴(yán)重削弱;主梁跨中區(qū)域已出現(xiàn)規(guī)則的彎曲裂縫;主梁支點到L/4區(qū)域存在肉眼可視的剪切裂縫，裂縫寬度達(dá)到 0.1 mm。

7 結(jié)語

本次荷載試驗的目的在于結(jié)合橋梁調(diào)查、檢測與檢算結(jié)果，合理評定永清大橋橋梁結(jié)構(gòu)在公路—Ⅰ級荷載等級下的實際工作狀況、承載能力和使用條件，分析病害成因，提出建議，具體措施如下:由于主梁梁肋的裂縫高度較高，主梁支點處出現(xiàn)了剪切裂縫，并且比較嚴(yán)重。所以建議對支點到L/4區(qū)域內(nèi)采取抗彎和抗剪加固工程。同時由于橫隔梁連接處部位大量斷裂，破損嚴(yán)重，所以應(yīng)該對橫隔梁選用粘貼高強(qiáng)材料的方法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。