靜載試驗(yàn)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用研究

王 燕

（浙江浙交檢測(cè)技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310000）

0 引言

作為一種影響范圍大、數(shù)據(jù)可靠的檢驗(yàn)方法，橋梁檢測(cè)能夠快速有效地了解橋梁結(jié)構(gòu)的服役狀況。荷載試驗(yàn)作為橋梁檢測(cè)中的關(guān)鍵組成部分，因?yàn)槟軌蛑苯佑行У氐玫綐蛄簯?yīng)力和撓度數(shù)據(jù)，在橋梁承載能力評(píng)定中得到了廣泛應(yīng)用。靜載試驗(yàn)是通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)上施加與控制荷載等效的靜態(tài)外加荷載，利用檢測(cè)儀器設(shè)備測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)控制部位與控制截面的力學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[1-4]。同時(shí)，靜載試驗(yàn)還能夠掌握無(wú)法精確計(jì)算部位的受力狀態(tài)，還能夠發(fā)現(xiàn)一般檢測(cè)過(guò)程中難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽病害。通過(guò)靜載試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)橋梁工作狀態(tài)的全面了解，為進(jìn)一步維護(hù)、改擴(kuò)建和加固提載提供基礎(chǔ)依據(jù)[5-6]。依托于某連續(xù)梁橋承載能力評(píng)定項(xiàng)目，文章在分析靜載試驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上，對(duì)外觀檢測(cè)和靜載試驗(yàn)的方案進(jìn)行了分析，并對(duì)試驗(yàn)工況和加載流程作了探討，最后依據(jù)上述試驗(yàn)荷載和靜載工況進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)主梁撓度和應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)均能夠滿足規(guī)范要求。

1 工程概況

某連續(xù)梁橋全長(zhǎng)為170.0 m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑組合為（45+80+45）m，橋面橫向布置為0.5 m（護(hù)欄）+7.0 m（行車(chē)道）+0.5 m（護(hù)欄）。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料，道路等級(jí)為四級(jí)公路，行車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)速為30 km/h，荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)，采用雙向兩車(chē)道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。

2 橋梁靜載試驗(yàn)的目的

為了檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)于橋梁承載能力進(jìn)行檢驗(yàn)，做靜載試驗(yàn)，是基于以下四方面的目的：

（1）根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)和施工水平，明確工程質(zhì)量是否滿足要求，為后續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)和驗(yàn)收提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下的實(shí)際受力狀況，評(píng)價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能，確定橋梁的實(shí)際承載能力。

（3）驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和計(jì)算過(guò)程中的架設(shè)是否合理和正確，為后續(xù)類似橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（4）給養(yǎng)護(hù)管理部門(mén)提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，為該工程日后驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)

3.1 外觀檢查

橋梁的外觀檢查需要在巡檢檢查的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對(duì)巡檢檢查發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題予以重點(diǎn)關(guān)注。在荷載試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)關(guān)鍵截面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面外觀檢查，確定不同病害的具體位置，尤其是對(duì)靜載試驗(yàn)?zāi)軌虍a(chǎn)生影響的病害，如結(jié)構(gòu)裂縫、鋼筋銹蝕和混凝土損傷等，還應(yīng)在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)撓度、應(yīng)力的變化，以及靜載試驗(yàn)中支座是否偏位需要重點(diǎn)檢查。試驗(yàn)完成后，需要對(duì)撓度和應(yīng)力變化較大的部位展開(kāi)進(jìn)一步調(diào)查分析，找出相關(guān)原因和進(jìn)一步發(fā)展的病害。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁承載能力的精確評(píng)定，首先要對(duì)橋梁外觀進(jìn)行檢測(cè)。下述以混凝土橋梁為例加以說(shuō)明。目前橋梁外觀檢測(cè)以人工抵近目測(cè)觀察為主，同時(shí)輔助以簡(jiǎn)單的測(cè)量工具和檢測(cè)儀器，主要包括裂縫測(cè)寬儀、卷尺、手工錘等。對(duì)橋梁外觀存在的缺陷或者病害，采用文字描述和照片的形式予以記錄。記錄內(nèi)容包括病害位置、大小、范圍以及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度，同時(shí)在檢測(cè)報(bào)告中進(jìn)行初步分析，同時(shí)進(jìn)行各方確認(rèn)。

3.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

3.2.1 荷載工況

根據(jù)該項(xiàng)目橋梁上部結(jié)構(gòu)汽車(chē)活載彎矩包絡(luò)圖（見(jiàn)圖1），選擇橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力截面進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載工況下的截面應(yīng)力和位移分析，具體測(cè)試斷面見(jiàn)圖2~圖4。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁承載能力和可靠性進(jìn)行評(píng)斷，現(xiàn)確定如下試驗(yàn)內(nèi)容，具體包括三種荷載工況。

圖1 主梁彎矩包絡(luò)圖（kN·m）

工況一：邊跨（第1跨）跨中最大正彎矩，距離橋梁左端線19.92 m。

工況二：1號(hào)墩墩頂最大負(fù)彎矩?cái)嗝妫挥诘?跨內(nèi)，距離1號(hào)墩中心線2 m。

工況三：中跨（第2跨）跨中最大正彎矩?cái)嗝妫嚯x1號(hào)墩中心線40.0 m。

3.2.2 靜載布置方案

根據(jù)荷載試驗(yàn)加載原則、彎矩影響線和橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定橋梁靜載試驗(yàn)車(chē)輛布置方案。為了全面了解橋梁結(jié)構(gòu)情況，靜載試驗(yàn)車(chē)輛布置方案應(yīng)全面、細(xì)致，對(duì)于橋梁關(guān)鍵截面的受力情況和實(shí)際交通狀況能夠很好地表征。根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)交（竣）工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)的效率宜介于0.85~1.05之間。其中S1~S3為應(yīng)力測(cè)試控制斷面，W1~W3為主梁位移測(cè)試控制斷面。橋梁靜載試驗(yàn)方案車(chē)輛布置方案如圖2所示。

圖2 S1/W1斷面加載車(chē)輛縱橋向布置圖（cm）

圖3 S2/W2、S3/W3斷面加載車(chē)輛縱橋向布置圖（cm）

圖4 加載車(chē)輛橫橋向布置圖-中載（cm）

3.3 荷載效率

橋梁靜載試驗(yàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的撓度和應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，與理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)和評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。根據(jù)當(dāng)前研究和規(guī)范要求，控制截面上產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度需要與理論計(jì)算控制荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)較為接近，接近程度即為荷載效率。目前試驗(yàn)荷載效率系數(shù)采用ηq表示，計(jì)算如下所示。

式中，ηq——靜載試驗(yàn)荷載效率；Ss——靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值；S——控制荷載產(chǎn)生的同一控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計(jì)算值（不計(jì)沖擊系數(shù)）；μ——按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

3.4 加載車(chē)輛

此次靜載試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)橋梁在相當(dāng)于設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的試驗(yàn)荷載作用下，橋梁的變形及主要構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，故采用基本荷載試驗(yàn)。考慮到現(xiàn)場(chǎng)加載條件和靜載試驗(yàn)效率的要求，在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行配重和配重檢查，確保車(chē)輛軸重能夠滿足荷載試驗(yàn)的要求。荷載試驗(yàn)過(guò)程中需要確保荷載均勻變化，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的荷載響應(yīng)。通過(guò)計(jì)算分析后，可以得出每個(gè)不利工況下的荷載效率。

3.5 加載流程

3.5.1 預(yù)載

在正式加載開(kāi)始之前，采用不低于2輛加載車(chē)輛在橋跨通行，實(shí)現(xiàn)加載跨的預(yù)壓，實(shí)現(xiàn)消除結(jié)構(gòu)非彈性變形的目的。預(yù)壓完成后進(jìn)行場(chǎng)地清理，準(zhǔn)備工作完成后，完成首次讀數(shù)。

3.5.2 加載與卸載

在全部加載完成之前，需要采取措施避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。加載可分3級(jí)加載進(jìn)行，卸載分2級(jí)進(jìn)行。荷載加載過(guò)程中，采用逐次遞增的方式進(jìn)行加載，然后進(jìn)行卸載直至完成卸載，對(duì)各級(jí)卸載下的關(guān)鍵參數(shù)的變化進(jìn)行記錄和分析。為了減少溫差變化對(duì)荷載參數(shù)的影響，試驗(yàn)過(guò)程中誤差不得超過(guò)5.0 ℃，盡量選擇在溫度相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段，單個(gè)工況溫差變化控制在1 ℃。

3.5.3 測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置

撓度測(cè)試采用位移計(jì)的方式實(shí)施檢測(cè)，必要情況下可采用水準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)撓度的同步觀測(cè)。應(yīng)變測(cè)試采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前后應(yīng)進(jìn)行振弦式應(yīng)變計(jì)的校準(zhǔn)，確保荷載試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變計(jì)的有效性。

4 靜載評(píng)定依據(jù)及評(píng)定結(jié)果

4.1 評(píng)定依據(jù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁承載能力的檢測(cè)，目前主要采用校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體如下。

校驗(yàn)系數(shù)是評(píng)定橋梁技術(shù)狀況，評(píng)定結(jié)構(gòu)承載能力的關(guān)鍵參數(shù)。從定義分析，校驗(yàn)系數(shù)為控制參數(shù)實(shí)測(cè)值與理論的比值，校驗(yàn)系數(shù)一般要求η≤1。η值越小，表示結(jié)構(gòu)具有更大的安全儲(chǔ)備，如果過(guò)小則需要從多方面進(jìn)行分析，目前主要是材料實(shí)際強(qiáng)度和彈性模量高、理論計(jì)算不考慮橋面鋪裝的共同受力等原因。η值過(guò)大，則表示結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備不足，多是由于材料強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)連接性差等原因造成結(jié)構(gòu)的剛度較低。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)工況和試驗(yàn)方案，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)承載情況進(jìn)行靜載試驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行主梁撓度和主梁應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析。限于篇幅，文章僅考慮中載工況。

4.2.1 主梁撓度

對(duì)于邊跨跨中和主跨跨中主梁撓度進(jìn)行理論值和計(jì)算值的對(duì)比分析，并得到了結(jié)構(gòu)豎向位移的校驗(yàn)系數(shù)，具體如表1所示。

表1 橋梁靜載試驗(yàn)豎向位移測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)荷載試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)在中載情況下，S1斷面和S3斷面位移校驗(yàn)系數(shù)分別為0.78、0.58，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)范》（JTG/T J21—01—2015）不大于1的要求。

4.2.2 主梁應(yīng)變

對(duì)于邊跨跨中和主跨跨中主梁應(yīng)變進(jìn)行理論值和計(jì)算值的對(duì)比分析，并得到了結(jié)構(gòu)主梁應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)，具體如表2所示。

表2 橋梁靜載試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)荷載試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)各測(cè)試斷面控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.51~0.80，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)范》（JTG/T J21—01—2015）不大于1的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力是橋梁健康檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，因此需要對(duì)荷載試驗(yàn)給予充分重視。依托某三跨連續(xù)梁橋項(xiàng)目，文章首先對(duì)橋梁外觀檢測(cè)方案進(jìn)行了分析，然后對(duì)靜載試驗(yàn)的車(chē)輛布載方案、試驗(yàn)工況和荷載效率進(jìn)行了分析，接著對(duì)加載車(chē)輛、加載和卸載流程進(jìn)行了分析，最后依據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)從主梁撓度和主梁應(yīng)變方面進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示校驗(yàn)系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。