基于靜載試驗(yàn)的預(yù)應(yīng)力簡支箱型梁橋承載能力評定

霍衛(wèi)安

（甘肅省建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

橋梁靜載試驗(yàn)是通過測定試驗(yàn)荷載作用下橋梁主控截面的應(yīng)變和撓度，從而確定橋梁的真實(shí)受力狀態(tài)、使用性能以及安全度，最終對試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的可靠性和是否滿足有關(guān)公路橋梁規(guī)范及設(shè)計(jì)要求做出評價(jià)[1-2]。以往諸多學(xué)者在橋梁靜載試驗(yàn)方面做了大量研究，為橋梁工程設(shè)計(jì)、檢測加固與評估等方面提供了理論依據(jù)[3-6]。

肖宇等[7]以某既有橋梁的靜載試驗(yàn)檢測為例，對橋梁靜載試驗(yàn)做了簡要說明，為橋梁工程的檢測提供了有益參考。李玉梅[8]以某橋梁工程為例，介紹了靜載試驗(yàn)檢測方法，并對橋梁的承載能力進(jìn)行了評定分析。毛訓(xùn)波和楊濤[9]通過立足實(shí)際，對橋梁靜載試驗(yàn)檢測技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了分析。康麗[10]通過深入探討靜載試驗(yàn)檢測技術(shù)，結(jié)合工程實(shí)例，對靜載試驗(yàn)檢測技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容做了進(jìn)一步的分析與闡述。胡銀浩[11]結(jié)合橋梁檢測具體工程案例，對靜載試驗(yàn)檢測的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析與探討。張茵濤[12]以某既有橋梁為研究對象，基于靜載試驗(yàn)，分析了橋梁實(shí)際工作狀態(tài)及承載能力。劉忠平和戴公連[13]以兩根預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁為研究對象，對其進(jìn)行靜載破壞試驗(yàn)，并探究疲勞荷載對預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁服役性能的影響。王丹[14]采用動(dòng)、靜載試驗(yàn)分別分析了橋梁承載力在不同位置施壓后應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律。向洪等[15]對橋梁靜載試驗(yàn)中存在的一些問題做了分析，并結(jié)合實(shí)際工程案例，為靜載試驗(yàn)評定橋梁承載能力提供了有價(jià)值的參考意見。王凌波等[16]在研究中提出了校驗(yàn)系數(shù)影響因子的概念，并建立了理論校驗(yàn)系數(shù)的推算方法。彭文禮[17]基于工程背景，利用Midas Civil對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)、靜載試驗(yàn)。鄭宗鶴和樊聰鎬[18]同樣采用有限元法，對既有橋梁進(jìn)行動(dòng)、靜載試驗(yàn)，完成了結(jié)構(gòu)的承載力評估。田帥帥等[19]結(jié)合一座預(yù)應(yīng)力簡支空心板橋的現(xiàn)場靜載試驗(yàn)實(shí)例，演繹了既有橋梁承載力評估過程。

通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，以往學(xué)者對橋梁承載力的研究方法主要有2種，即實(shí)測試驗(yàn)研究法和有限元分析法，而在進(jìn)行靜載試驗(yàn)之前，首先通過有限元確定測點(diǎn)位置，再根據(jù)所確定的測點(diǎn)位置進(jìn)行橋梁靜載試驗(yàn)的研究較少。因此本研究基于以往學(xué)者的研究基礎(chǔ)，采用實(shí)測試驗(yàn)研究法和有限元分析法相結(jié)合的方法，對某市預(yù)應(yīng)力簡支箱型梁橋進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)研究，即先根據(jù)橋梁實(shí)際情況和相關(guān)規(guī)范要求，運(yùn)用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元計(jì)算模型，并進(jìn)行理論計(jì)算分析，從而確定測點(diǎn)布置位置，再通過有限元進(jìn)一步計(jì)算出各測點(diǎn)位置的應(yīng)變理論值與撓度理論值，將其理論結(jié)果與靜載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對該橋梁的承載能力（抗裂性、強(qiáng)度和剛度）進(jìn)行分析與評定。本研究在橋梁靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，分別設(shè)計(jì)了2個(gè)試驗(yàn)工況，即橋梁跨中截面在最大正彎矩截面中載和偏載下的應(yīng)力、豎向撓度和裂縫觀測，并分別給出了2種測試工況下應(yīng)變與撓度測點(diǎn)分析結(jié)果對比圖。

2 工程概況

某部訓(xùn)練場改建工程K3+864處北大河橋梁位于甘肅省嘉峪關(guān)市。橋梁結(jié)構(gòu)形式為12 m×30 m后張法預(yù)應(yīng)力簡支箱形梁橋，其中橋梁單跨計(jì)算跨徑為29.92 m，橋梁寬度為18 m，高度為1.6 m，頂板的寬度與厚度分別2.4 m和0.18 m，底板的寬度與厚度分別1.0 m和0.18 m，腹板厚度為0.2 m，橋面橫坡坡度為雙向2.0%，縱坡坡度為-1.08%。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路Ⅰ級《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JT GB01—2014）。如圖1所示為橋梁立面圖，圖2所示為橫斷面圖。

圖1 橋梁立面圖（單位：m）

圖2 橋梁1-1斷面處橫斷面圖（單位：m）

3 建立有限元模型

根據(jù)橋梁實(shí)際情況和相關(guān)規(guī)范要求，運(yùn)用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元計(jì)算模型。通過空間有限元法對該橋進(jìn)行了理論計(jì)算分析，根據(jù)設(shè)計(jì)汽車活荷載（公路Ⅰ級）作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖確定實(shí)驗(yàn)荷載以及加載截面位置，從而進(jìn)一步確定測點(diǎn)布置位置。通過有限元模型，分別計(jì)算出各種工況下測點(diǎn)位置的應(yīng)變理論值及撓度理論值，再將其理論結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對該橋的承載能力進(jìn)行評估和判定。

橋梁試驗(yàn)跨上部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖3所示。其中，該橋梁采用C50混凝土，混凝土彈性模量E=3.45×104MPa，混凝土泊松比為0.2，混凝土線膨脹系數(shù)為1×10-5。

圖3 30 m簡支箱梁試驗(yàn)跨計(jì)算模型

4 靜力荷載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本橋靜載試驗(yàn)采用東華測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH3816靜態(tài)測試儀（64通道），測試內(nèi)容根據(jù)北大河橋的現(xiàn)場情況，選擇北大河橋第3跨30 m簡支箱梁（68217部隊(duì)方向）作為試驗(yàn)對象，該跨由6片30 m的簡支箱梁組成，對控制截面在最不利設(shè)計(jì)荷載作用下的應(yīng)變、豎向撓度進(jìn)行測試及裂縫觀測。本橋靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2個(gè)測試工況，其中各工況測試項(xiàng)目及測試內(nèi)容見表1。

表1 各工況測試項(xiàng)目及測試內(nèi)容

工況一：跨中截面在最大正彎矩截面中載下的應(yīng)力、豎向撓度和裂縫觀測；

工況二：跨中截面在最大正彎矩截面偏載下的應(yīng)力、豎向撓度和裂縫觀測。

4.2 測點(diǎn)布置

為科學(xué)地進(jìn)行該橋梁的荷載試驗(yàn)，故運(yùn)用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，并根據(jù)設(shè)計(jì)汽車活荷載（公路Ⅰ級）作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖確定試驗(yàn)荷載以及加載截面位置，從而進(jìn)一步確定測點(diǎn)布置位置。

（1）應(yīng)變測點(diǎn)布置

總計(jì)布置6個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，所有應(yīng)變測點(diǎn)布置于箱梁混凝土下表面上，且沿橋梁軸線方向布置，測點(diǎn)編號為A1～A6，并挑選適宜位置布置補(bǔ)償點(diǎn)應(yīng)變片，跨中截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖如圖4所示，應(yīng)變測點(diǎn)平面布置圖如圖5所示。

圖4 跨中截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖（A1～A6▅：應(yīng)變片位置）

圖5 跨中截面應(yīng)變測點(diǎn)平面布置圖（A1～A6▅：應(yīng)變片位置）

（2）撓度測點(diǎn)布置

總計(jì)布置12個(gè)撓度測點(diǎn)，位于混凝土箱梁底部，測點(diǎn)編號為D1～D12，跨中截面撓度測點(diǎn)布置圖如圖6所示，撓度測點(diǎn)平面布置圖如圖7所示。撓度測量采用多點(diǎn)視頻動(dòng)靜態(tài)位移監(jiān)測系統(tǒng)。

圖6 跨中截面撓度測點(diǎn)布置圖（D1～D6▅：反光片位置）

圖7 跨中截面撓度測點(diǎn)平面布置圖（D1～D12▅：反光片位置）

4.3 靜載試驗(yàn)荷載值及加載效率

工況一和工況二靜力加載均需要加載車4輛，每輛車約重550 kN，具體車輛參數(shù)見表2。各工況作用下的荷載值、荷載效率系數(shù)見表3、表4，從表3和表4可以看出，所有工況的荷載效率系數(shù)均介于0.95～1.05，處于規(guī)范規(guī)定的范圍。

表2 加載車主要參數(shù)

表3 靜載工況的荷載效率系數(shù)（中載）

表4 靜載工況的荷載效率系數(shù)（偏載）

4.4 加載方式與分級加載

本橋加載分為3級加載，2級卸載，其靜載試驗(yàn)加載程序如下：

（1）預(yù)加載：零載→50%荷載值→零載。

（2）正式加載：零載→工況I-1（50%）→工況I-2（75%）→工況I-3滿載（100%）→工況I-4（50%）→零載。

4.5 靜載試驗(yàn)程序

基于試驗(yàn)方案，靜載試驗(yàn)程序主要分為4個(gè)關(guān)鍵步驟，分別為：

（1）在箱梁混凝土表面上確定測點(diǎn)位置，將其打磨找平，清理干凈，并對測點(diǎn)位置進(jìn)行編號。

（2）在處理好的測點(diǎn)位置處粘貼應(yīng)變片，并將應(yīng)變片與信號傳輸線路連接良好且接入應(yīng)變采集系統(tǒng)。

（3）接線聯(lián)機(jī)后進(jìn)行試調(diào)工作，檢查各測試元件是否處于良好的工作狀態(tài)；當(dāng)各測試元件處于正常工作狀態(tài)后，進(jìn)行預(yù)壓工作，進(jìn)一步檢查測試元件是否處于良好的工作狀態(tài)。

（4）正式加載，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)過程中值得注意的是，為了盡可能減少非彈性撓度的影響，首先進(jìn)行預(yù)壓工作，然后再進(jìn)行正式加載工作，并且當(dāng)某一級加載到位后，將加載汽車熄火狀態(tài)保持2 min及以上，待數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；同樣，在卸載過程中，待卸載后2 min以上，再采集殘余數(shù)據(jù)。

5 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 應(yīng)變測試結(jié)果分析

各測點(diǎn)應(yīng)變測試結(jié)果見表5、表6，應(yīng)變測點(diǎn)分析結(jié)果對比圖如圖8、圖9所示。

圖8 應(yīng)變測點(diǎn)分析結(jié)果對比圖（工況一）

圖9 應(yīng)變測點(diǎn)分析結(jié)果對比圖（工況二）

表5 各測點(diǎn)應(yīng)變測試分析結(jié)果

表6 各測點(diǎn)應(yīng)變測試分析結(jié)果

通過觀察表5、表6以及圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變實(shí)測曲線與應(yīng)變理論曲線的變化規(guī)律都基本一致，實(shí)測值均小于應(yīng)變值，且應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）小于1.0的要求，因此，該橋梁實(shí)測強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；卸載后，相對殘余應(yīng)變均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）小于20%的要求，說明橋梁處于彈性工作狀態(tài)。通過進(jìn)一步觀察2種工況下應(yīng)變測點(diǎn)分析結(jié)果對比圖可以發(fā)現(xiàn)，雖然實(shí)測應(yīng)變值均小于理論應(yīng)變值，且橋梁實(shí)測強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但是實(shí)測應(yīng)變值與理論應(yīng)變值之間存在一定差值，這一差值的產(chǎn)生是由靜載試驗(yàn)過程中某些因素而導(dǎo)致，如試驗(yàn)當(dāng)天天氣情況的客觀因素影響，貼應(yīng)變片前對橋梁截面的清潔處理未能達(dá)到絕對干凈，以及應(yīng)變片膠水對應(yīng)變片完全變形的束縛等，這些因素均會(huì)對橋梁變形信號的傳遞造成干擾，致使應(yīng)變片所接收的橋梁變形信號稍微變?nèi)酢Ｒ虼?，在靜載試驗(yàn)中所得到的實(shí)測應(yīng)變值與理論應(yīng)變值存在偏差。

5.2 撓度測試結(jié)果分析

各測點(diǎn)位移測試結(jié)果見表7、表8，撓度測點(diǎn)分析結(jié)果對比圖如圖10、圖11所示。

圖10 撓度測點(diǎn)分析結(jié)果對比圖（工況一）

圖11 撓度測點(diǎn)分析結(jié)果對比圖（工況二）

表7 各測點(diǎn)位移測試分析結(jié)果

表8 各測點(diǎn)位移測試分析結(jié)果

通過觀察表7、表8以及圖10、圖11同樣可以發(fā)現(xiàn)，撓度實(shí)測曲線與撓度理論曲線的變化規(guī)律也都基本一致，實(shí)測值均小于理論值，且撓度校驗(yàn)系數(shù)均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J 21—2011）小于1.0的要求，因此，說明橋梁梁板的剛度滿足設(shè)計(jì)要求；相對殘余撓度均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）小于20%的要求，說明橋梁處于彈性工作狀態(tài)。通過進(jìn)一步觀察2種工況下?lián)隙葴y點(diǎn)分析結(jié)果對比圖同樣可以發(fā)現(xiàn)，雖然實(shí)測撓度值均小于理論撓度值，且橋梁梁板的剛度滿足設(shè)計(jì)要求，但是實(shí)測撓度值總之與理論撓度值之間存在一定差值，這一差值的產(chǎn)生和應(yīng)變測試中產(chǎn)生差值的原因相同，也是受到試驗(yàn)當(dāng)天天氣情況的客觀因素影響，貼反光片前對橋梁截面的清潔處理未能達(dá)到絕對干凈，以及反光片膠水對反光片完全變形的束縛等因素的影響，從而對橋梁變形信號的傳遞造成干擾，致使反光片所接收的橋梁變形信號稍微變?nèi)?。因此，在靜載試驗(yàn)中所得到的實(shí)測撓度值與理論撓度值存在偏差，且實(shí)測撓度值均小于理論撓度值。

5.3 結(jié)構(gòu)表觀觀測

通過對北大河橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行表觀觀測發(fā)現(xiàn)：北大河橋梁的內(nèi)外輪廓線順滑清晰；欄桿和護(hù)欄均牢固、直順、美觀；橋面鋪裝瀝青混凝土表面平整密實(shí)且無泛油、松散、裂縫、明顯離析等現(xiàn)象；伸縮縫無阻塞、變形、開裂現(xiàn)象，狀態(tài)良好；泄水管安裝到位，不阻水；橋面無低凹，排水良好；結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異響、混凝土破損等異常情況，且未發(fā)現(xiàn)主梁有裂縫產(chǎn)生。

6 結(jié)語

本研究以某橋梁為研究對象，運(yùn)用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元計(jì)算模型，并進(jìn)行理論計(jì)算分析，從而確定測點(diǎn)布置工況。通過有限元計(jì)算分析，便可以計(jì)算出工況一和工況二各測點(diǎn)位置的應(yīng)變理論值和撓度理論值，再將計(jì)算所得到的理論結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）對該橋梁的承載能力進(jìn)行評估和判定。

試驗(yàn)表明，靜載試驗(yàn)所得到的實(shí)測值（應(yīng)變值與撓度值）均小于理論值，且均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的要求，說明該橋梁的強(qiáng)度與剛度均為良好以及橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。在試驗(yàn)過程中，橋梁結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異響、混凝土破損等異常情況，未發(fā)現(xiàn)主梁有裂縫產(chǎn)生。因此，靜載試驗(yàn)結(jié)果表明該橋梁性能良好，承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，并且本研究所采用的靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、分析方法可供其他類似工程分析參考。