某服役預應力混凝土橋梁靜載試驗分析

游正勇

（貴州橋梁建設集團有限責任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

作為路面交通的重要組成部分，橋梁結構穩定性對確保行車通暢、通行安全有重要意義。隨著服役時間的增加，在地基沉降、超荷載、環境腐蝕、設計缺陷等因素的影響下，橋梁安全性不斷降低，運行風險提高。與此同時，橋梁實際服役狀態與理論檢測結果之間存在差異，復雜的工作環境會直接影響其使用壽命和運行安全性[1-3]，加強在役橋梁工作狀態的監測意義深遠。

橋梁結構靜載試驗是了解橋梁工作狀態的有效手段，即在橋梁特定位置施加荷載，模擬橋梁實際工作狀態以獲取撓度、應力等指標，結合指定截面數據進行理論分析，探究橋梁的承載力和安全性，尋找可能存在的安全隱患并及時處置，降低事故風險[4]。

1 工程概況

某公路橋梁項目全長94.2 m，橋面寬度10 m，共5跨，荷載水平為公路Ⅰ級，詳見圖1所示。該橋梁上部為預應力箱梁，下部為柱式橋臺，橋梁支座為板式橡膠支座，橋面由瀝青混凝土和水泥混凝土調平層鋪設而成，層厚分別為10 cm和8 cm。通過靜載試驗探究目標測量點界面撓度與應力，判斷橋梁的工作狀態是否與設計吻合，借助有限元模型進行模擬，評估橋梁的承載力是否達標。對現場勘測結果進行數據分析，為日常維護提供參考。

圖1 橋梁布置示意（單位：m）

2 有限元分析

利用MIDAS/Civil空間有限元軟件進行模擬，該軟件在預應力箱梁橋、斜拉橋、懸索橋等領域內廣泛應用，土木建筑分析功能強大，可提供常見指標參數評估，對橋梁分析和模型設計有重要指導作用[5]。

（1）計算參數：荷載等級為公路Ⅰ級，荷載系數分為橫向分布系數和縱向折減系數，其系數分別為0.608和1.01。

（2）計算模型：根據該方案實際情況，橋梁為空間單元模擬，合計185個模擬單元。依據荷載情況獲得橋梁彎矩包絡圖，結果顯示邊跨彎矩水平最大。

3 靜載試驗

在橋梁選定目標位置施加靜荷載，控制應變、截面位移等參數，加強現場勘測，評估橋梁在一定荷載水平下的工作狀態和性能指標。

3.1 靜載試驗步驟

靜載試驗可分為三個階段：1）對橋梁整體結構進行觀察和檢測，做好準備工作；2）加載或卸載，記錄橋梁在此過程中的應變、位移等數據變化；3）比較靜載條件下的模擬數據，對試驗結果進行分析和總結，判斷橋梁狀態。

（1）觀察橋梁整體性，判斷其結構完整與否，做好試驗前的準備工作，了解橋梁設計狀況、試驗操作計劃、橋梁狀態、施工現場實施細節等內容。該階段是確保靜載試驗成功的基礎，通過對試驗條件的準備，為后續操作提供保障。

（2）橋梁荷載與卸載。根據試驗條件與參數設計，進行橋梁加載，做好試驗記錄和數據分析，監測在此過程中的橋梁變化，根據擬定的條件對橋梁加載，并觀測測試儀的數據變化[6]。加載過程中，需要對現場勘測數據和實驗結果進行比對，判斷模擬值與實測值之間的關系。根據參數關系判斷是否可以繼續加載，評估橋梁性能和安全狀態，尤其是存在安全隱患的橋梁，必須嚴格控制加載水平，避免引發安全事故。

（3）計算和比對靜載試驗條件下的模型數據。測試后，記錄原始資料，收集圖片、文字、數據等，尋找內在規律，并保留有用的資料，通過軟件對相關數據進行專業化處置，根據技術操作規程、方案規定科學評價參數意義，評估橋梁狀態和性能[7]。

3.2 加載方式

此次橋梁靜載試驗荷載為32 t三軸汽車，為探究橋梁應力和應變指標變化情況，根據等效荷載效應分階段施壓荷載。用ηq表示靜力荷載試驗效率，該指標計算公式如（1）所示，表示試驗荷載與設計荷載的等效程度。橋梁在服役狀態下受多重因素影響，且受力結構多為復合性，靜力荷載試驗效率值一般在0.95~1.05區間內。

式中，S——靜載試驗中目標測量點界面的最大荷載效應；S′——設計荷載水平下的對應界面荷載效應；μ——沖擊系數，為規定的規范值。

該橋梁靜載試驗結合工程特征，選用不同類型的車型進行試驗，加載車輛的技術參數如表1所示。

表1 加載車主要技術參數數據

對有限元模型的模擬結果進行分析和對比總結，可獲得橋梁的荷載效率，詳見表2。

表2 靜力荷載試驗加載效率

3.3 加載過程

此次靜載試驗采用分級加載的方式進行四次加載。每一級加載確保橋梁結構穩定后，方可進行第二級加載，加載需于確定位置逐步進行。判斷穩定狀態：每次加載后對目標位置觀測點橫截面變位增量進行觀測，最后觀測5 min內變位增量小于最初觀測5 min變位增量15%判定為其結構穩定，荷載檢測的總時間應大于15 min。靜載試驗需由專業技術人員現場指揮，并觀測和記錄現場數據，根據試驗數據分析橋梁情況，為后續工序奠定基礎。

3.4 測點布置

以橋梁箱形截面梁受力特點為基礎，利用有限元模型軟件MIDAS/Civil構建內力包絡圖，并結合該項目靜載試驗目標進行分析，詳見圖2所示。1-4#梁為撓度測量點，1#~8#測點、11#~13#測點、21#~23#測點為應力測量點。

圖2 控制截面及測點布置（單位：cm）

4 試驗結果分析

4.1 撓度

靜載試驗滿載條件下的橋梁撓度情況如圖3所示。對圖3分析可知：1）各監測點的撓度數據模擬值與實測值之間并無明顯差距，主梁橫斷面各個監測點撓度數據無顯著突變情況，主梁橫向方向撓度曲線相對平緩，相比于理論數據，實測值繪制的實測撓度曲線曲率較小；2）撓度值的實測結果在計算撓度與彈性撓度區間內，綜合分析后可知，橋梁卸載后的相對參與變形不足20%，表明試驗中主梁的受力相對均勻，橫向穩定性突出；3）相鄰主梁間的剛度值大于理論計算值，表明該橋梁的靜載結果客觀，即橋梁的彈性狀態良好，處于安全工作范圍內。

圖3 撓度測試結果

4.2 應力

靜載試驗中橋梁滿載情況下的各監測點應力狀況如圖4所示。對圖4分析可知：1）不同監測點的拉應力值為負值，基本符合橋梁的受力狀態，監測點未出現明顯的變形和受力改變；2）滿載情況下，實際測量應力值和彈性應力值基本吻合理論模型，彈性應力值大小與計算值基本相當，表明橋梁基本處于正常工作狀態下，參與應力值不足20%，表明結構穩定性良好；3）由此可見，該橋梁控制截面下翼緣板的彈性工作狀態良好，橋梁處于安全工作狀態下。

圖4 下翼緣板底應力測試結果

橋梁靜載試驗中滿荷載情況下的橋梁腹板各監測點應力情況如圖5所示。對圖5分析可知：1）各腹板監測點的實測應力值小于計算值；2）滿荷載情況下橋梁處于彈性狀態，腹板幾何外形與各監測點的曲線反映情況基本一致，未出現應力突變狀況，表明系統處于正常工作狀態，測試結果符合設計標準，截面結構合理且穩定；3）由此可見，橋梁滿荷載作用下，腹板的彈性良好可維持正常工作狀態。

圖5 腹板應力測試結果

對上述應力測試結果分析可知，不同截面監測點的滿荷載條件下的應力值均符合要求，橋梁均能保持良好的彈性狀態，無明顯的應力突變現象，表明截面符合系統要求，參數設計符合規范，橋梁安全性突出，無安全隱患。

4.3 校檢系數

校檢系數ζ是評估現役橋梁結構穩定性和工作性能的重要指標，靜載試驗中可以用應力或應變指標的實測值與理論值之間的比值來計算，計算公式如下：

式中，Se——靜載試驗條件下滿荷載水平時，測量點的應變或應力實測值；Ss——靜載試驗條件下，滿荷載水平時測量點橫截面對應的理論應變或應力值。查找相關資料發現校檢系數小于1時，橋梁結構穩定性突出，表明其處于正常狀態，工作性能良好可以滿足系統需求，理論計算值與實測值之間的誤差小，橋梁可以提供充分的安全保障。

以現場勘測數據為基礎，結合計算結果獲得橋梁校檢系數，詳見圖6所示。對圖6內容分析可知，橋梁校檢系數水平在0.7~0.8范圍內，表明橋梁處于正常工作狀態下，符合相關規范要求，可以提供相對充分的安全保障。

圖6 校檢系數分布情況

5 結論

通過橋梁靜載試驗，分析了在役橋梁撓度、應力、承載能力等指標，通過對相關數據的分析，評估在役橋梁的工作狀態，結論如下:

（1）靜力荷載試驗結果證實，橋梁荷載效率在0.97~1.02區間內，符合相關標準，即橋梁滿荷載情況下可以確保安全性，工作狀態穩定，基本符合設計規范對荷載效應的要求。

（2）各監測點主梁受力情況相對均勻，橫向撓度、應變曲線平緩，殘余變形不足20%，證實橋梁的彈性指標合規，可在靜載試驗條件下處于正常工作狀態，試驗檢測數據與理論值之間并無明顯差異。

（3）主梁控制截面校驗系數在0.7~0.8范圍內，證實橋梁剛度與結構強度指標均滿足設計標準，可確保正常使用。

綜上所述，該在役橋梁工作性能良好，試驗檢測結果與模擬計算值基本吻合，表明橋梁使用安全性高。