簡支T梁橋承載能力靜載試驗分析

朱 毅

（山西交通控股集團有限公司 運城北高速公路分公司，山西 運城 044000）

早期建成通車的橋梁，在長期運營使用后，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了梁體開裂、接縫破損、支座變形損壞等質(zhì)量問題，使橋梁結(jié)構(gòu)破壞，從而降低橋梁的承載能力[1]。采用靜載試驗在加載過程中對梁體的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度進行檢測，與設(shè)計理論值對比分析確定橋梁的承載能力[2]。根據(jù)侯平高速公路年下溝大橋養(yǎng)護維修實踐，結(jié)合定期檢查評定該橋等級為“三級”，制定靜載試驗方案對梁體應(yīng)變和撓度進行檢測，分析檢測數(shù)據(jù)的結(jié)論作為評價橋梁承載能力、制定加固方案的主要依據(jù)。

1 簡支T梁基本情況檢查

1.1 橋梁簡介

侯平高速公路年下溝大橋，設(shè)計全長159.36 m，中心樁號為K20+200，于2006年建成通車。橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計采用3×50 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，空心薄壁墩設(shè)計。年下溝大橋分左右兩幅，橋梁設(shè)計寬度為27 m，左右幅橋面凈寬12.25 m，左右幅凈距為0.5 m。橋梁設(shè)計按公路-Ⅰ級標準設(shè)計，抗震要求按8度設(shè)計。

1.2 簡支T梁外觀檢查結(jié)果

按照日常養(yǎng)護工作安排，對年下溝大橋進行定期檢查。經(jīng)檢查，T梁外觀輪廓基本順直清晰，但表面粗糙有浮漿現(xiàn)象，局部有蜂窩麻面。檢查中發(fā)現(xiàn)橋梁T梁表面局部存在開裂現(xiàn)象，個別裂縫深度較大，橋面局部出現(xiàn)了塊狀裂縫。左右兩幅橋梁T梁共發(fā)現(xiàn)63條豎向裂縫，總長度為62.6 m，其中裂縫最大寬度為0.18 mm；發(fā)現(xiàn)75條縱向裂縫，總長度為301.1 m，其中裂縫最大寬度為0.2 mm。另外，橋梁支座有開裂、破損、剪切變形、脫空和鋼板銹蝕現(xiàn)象，墩帽發(fā)現(xiàn)一條長1 m、最大寬度為0.1 mm的裂縫。根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG 5120—2021）與《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）中的相關(guān)規(guī)定，將年下溝大橋評定為“三類”橋梁。

2 簡支T梁橋靜載試驗方案

為了確定年下溝大橋的承載能力，擬采用靜載試驗對橋梁在荷載作用下的應(yīng)力（應(yīng)變）和撓度變化情況進行統(tǒng)計分析[3]。橋梁承載能力檢測應(yīng)主跨檢測，本文選擇第二跨作為試驗跨。靜載試驗時間選擇在夜間進行，試驗期間溫度變化控制在2.2℃～3.5℃之間，進而降低溫度對試驗結(jié)果的影響。靜載試驗采用汽車加載，加載汽車在試驗前過磅稱重。試驗前對施工路段進行封閉，禁止一切車輛和無關(guān)人員通行。對試驗儀器進行檢查，調(diào)零后進行第一次空載讀數(shù)。試驗汽車停放在指定位置后，穩(wěn)定20～30 min讀數(shù)。每輛試驗汽車總重量 300 kN（前軸 60 kN，兩個后軸各120 kN），分4級加載，每輛車為1級，一共4輛試驗汽車，加載步驟如圖1所示。靜載試驗分為中載和偏載兩種工況：中載工況沿橋梁縱向跨中截面的正彎矩和撓度最不利位置布載，橫橋向為兩車中載；偏載工況沿橋梁縱向跨中截面的正彎矩和撓度最不利位置布載，橫橋向為兩車偏載。試驗汽車沿橋梁橫向加載位置如圖2所示。

圖1 各試驗工況加載順序（按①～④順序加載，單位：cm）

圖2 試驗汽車沿橋梁橫向加載位置（單位：cm）

3 簡支T梁靜載試驗結(jié)果分析

3.1 簡支T梁撓度檢測結(jié)果分析

選取試驗跨（第二跨）5片T梁撓度檢測數(shù)據(jù)作為研究對象，測點位置為跨中、L/4跨、3L/4跨和兩端支座位置，1 號 T 梁縱向測點編號為 1、2、3、4、5，5 號T 梁縱向測點編號 1'、2'、3'、4'、5'，跨中截面測點為3、3'、6、7、8，共計 13 個測點，測點布置如圖 3 所示。

圖3 試驗跨撓度測點布置示意圖

簡支T梁撓度測量采用精密水準儀，中載和偏載兩種工況下?lián)隙葴y量結(jié)果如表1和表2所示，撓度向下為正，向上為負[4-5]，撓度檢測結(jié)果已考慮支座變形。繪制兩種工況下各梁跨中截面撓度變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 中載工況各梁跨中截面撓度變化曲線

圖5 偏載工況各梁跨中截面撓度變化曲線

表1 中載工況試驗跨撓度檢測結(jié)果

表2 偏載工況試驗跨撓度檢測結(jié)果

分析上述圖表數(shù)據(jù)和曲線變化情況，在4級加載后，中載和偏載工況下各梁跨中截面和梁體縱向撓度實測值與理論值十分接近，校驗系數(shù)均超過0.9，橋梁撓度變形較大，說明梁體剛度較小，應(yīng)進行加固。

3.2 應(yīng)變檢測結(jié)果分析

簡支T梁應(yīng)變測點布置在試驗跨控制截面，通過布置電阻式應(yīng)變片進行應(yīng)變測量，偏載工況下測點布置如圖6所示，中載工況測點呈對稱布置，共計14個測點，如圖7所示。在偏載工況進行試驗加載，對各測點應(yīng)變值進行檢測，試驗過程中采用tds-530靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀收集數(shù)據(jù)，應(yīng)變檢測結(jié)果如表3所示。

圖6 偏載工況梁體應(yīng)變測點布置示意圖

圖7 中載工況梁體應(yīng)變測點布置示意圖

表3 試驗跨各測點應(yīng)變檢測結(jié)果

分析表3所列應(yīng)變檢測數(shù)據(jù)，4級加載后各梁體應(yīng)變實測值與理論值接近，其中1號梁、2號梁應(yīng)變接近理論值，校驗系數(shù)也超過了0.9，說明梁體在荷載作用下變形較大。另外，在卸載后殘余應(yīng)變較小，說明梁體仍處于彈性工作范圍。結(jié)合中載工況下的試驗結(jié)果，得出的結(jié)論與偏載工況一致。

3.3 簡支T梁靜載試驗結(jié)果分析

結(jié)合上述靜載試驗T梁應(yīng)變和撓度檢測結(jié)果，實測值與理論值十分接近。另外，由于簡支T梁表面存在大量裂縫，對試驗結(jié)果產(chǎn)生了一定影響，造成檢測結(jié)果沒有呈現(xiàn)明顯的線性規(guī)律。T梁上部各測點應(yīng)變實測值呈現(xiàn)明顯的直線規(guī)律，說明梁體剛度產(chǎn)生了一定幅度的下降，剛度不足。各測點在卸載后殘余變形很小，說明梁體仍處于彈性工作范圍。總之，根據(jù)加載跨靜載試驗結(jié)果，可以得出年下溝大橋簡支T梁在設(shè)計汽車荷載作用下仍處于彈性工作范圍，應(yīng)變和撓度檢測結(jié)果接近或超出設(shè)計值。結(jié)合梁體外觀檢測結(jié)果，得出該橋簡支T梁承載能力已不能滿足設(shè)計要求，應(yīng)采取措施進行加固。

4 簡支T梁加固效果分析

在不改變原有橋梁的基礎(chǔ)上，對年下溝大橋進行加固和維修。簡支T梁采用貼鋼板加固，鑿除破損嚴重的橋面鋪裝層，重新施作，對橋梁伸縮縫、支座等進行更換。加固后采用同樣的試驗方法開展靜載試驗，各簡支T梁梁體跨中截面梁底應(yīng)變檢測結(jié)果如表4所示。

表4 加固后簡支T梁梁底應(yīng)變檢測結(jié)果

分析表4所示梁底應(yīng)變檢測結(jié)果，得出梁底應(yīng)變最大值出現(xiàn)在 1號梁梁底，為 185 με，與理論值327 με相差較大，卸載后殘余應(yīng)變最大值為 2 με，說明加固后橋梁梁底應(yīng)變明顯下降。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）中的相關(guān)要求，預(yù)應(yīng)力混凝土橋校驗系數(shù)在0.6～0.9之間，滿足規(guī)范要求。結(jié)合梁體撓度檢測結(jié)果，橋梁外觀裂縫發(fā)展得到了有效抑制，說明加固后主梁剛度和橋梁承載能力得到了明顯提高。

5 結(jié)語

基于侯平高速公路年下溝大橋養(yǎng)護維修工程實踐，根據(jù)橋梁定期調(diào)查結(jié)果制定靜載試驗檢測方案，分別在中載和偏載工況下對梁體撓度和應(yīng)變進行檢測，有針對性地制定了加固方案，并在加固后開展試驗，分析試驗數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

a）試驗梁撓度實測值與理論值接近，個別測點實測值十分接近理論值，說明梁體剛度明顯下降，但卸載后殘余應(yīng)變較小，說明梁體仍處于彈性工作范圍。

b）試驗梁應(yīng)變實測值十分接近理論值，在荷載作用下變形大，應(yīng)進行加固處理。

c）采用貼鋼板加固的方式對T梁進行加固，加固后梁體應(yīng)變、撓度明顯下降，梁體表面裂縫也得到了有效控制，說明加固后橋梁承載能力有效提高，達到了預(yù)期效果。