加固工程橋梁靜載試驗分析研究

朱浩 胡立楷

摘要：文章通過對某已加固的連續箱梁橋進行靜載試驗，評估其加固后的承載能力。在試驗荷載作用下，應變校驗系數在0.61～0.88，撓度校驗系數在0.59～0.84，均＜1，表明加固后的結構強度和剛度均達到設計要求，最大殘余應變和最大殘余撓度的測定值分別為18.18%和17.65%，滿足≤20%的要求，表明結構在設計荷載作用下維持彈性工作狀態，加固措施實施效果良好。

關鍵詞：橋梁加固；荷載試驗；靜載試驗

中圖分類號：U441+.2? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0177-03

0 引言

隨著交通運輸業的快速發展，橋梁作為交通網絡中的關鍵組成部分，其安全性和穩定性面臨著新的考驗［1］。那些建造年份較長、經歷了長期環境侵蝕和重載影響的橋梁，確保其結構的可靠性變得尤為重要［2］。在此背景下，采取有效的橋梁加固措施，以適應不斷變化的環境和荷載需求，成為橋梁工程領域迫切需要解決的問題。

在橋梁加固工程中，準確評估加固后橋梁的承載能力至關重要［3］。靜載試驗作為一種直觀、可靠的評估方法，能夠有效模擬橋梁在實際使用中承受的設計荷載情況，直接反映橋梁結構的承載性能和工作狀態［4-5］。通過對加固后的橋梁進行靜載試驗，不僅可以驗證加固效果，保障橋梁安全投入使用，還可以為橋梁設計、施工及后續維護提供科學、準確的數據支持。

本文旨在通過對某加固橋梁進行靜載試驗，深入分析其承載力，探討靜載試驗在橋梁加固評估中的應用價值及其對保障橋梁結構安全的重要作用。

1 某大橋加固概況

某大橋主橋為86 m+4×136 m+86 m=716 m六孔預應力連續箱梁，采用大懸臂直腹式單箱單室，箱寬10 m，橋寬22 m，單側懸臂寬6 m。公路等級為一級公路，設計荷載等級為汽車-超20級，掛車-120級，人群荷載為2.5 kN/m，如圖1所示。

橋梁經過十多年運營，于2012年及2015年橋梁檢測中發現相關病害：主橋外腹板存在斜向裂縫，箱內比箱外嚴重；箱內頂板存在大量裂縫修補痕跡，同時存在部分未修補裂縫，裂縫縱向發展，呈斷續狀況，個別裂縫伴有微水結晶現象；箱梁底板縱橫向裂縫顯著，主要位于底板縱向預應力筋附近，少量裂縫長寬增加；主橋連續箱梁存在一定的下撓，其中，跨徑136 m的兩個次邊跨下撓最為嚴重；43#、44#橋墩頂存在縱向及橫向裂縫并延伸至墩身側面。

2016年12月開始對其進行加固施工，在箱室內增設縱向體外預應力束、箱內外腹板粘貼鋼板、處理裂縫、箱外邊跨底板粘貼鋼板、中跨粘貼碳纖維布、43#和44#墩頂及側面粘貼鋼板。2018年3月所有加固內容施工完成。

2 靜載試驗

為檢驗橋梁加固施工質量，判斷結構受力性能是否滿足設計要求，對該橋進行靜載試驗。通過試驗測定控制截面的撓度與應變，檢驗其能否符合設計及有關規范、規定的要求，綜合評價橋梁結構承載能力狀況。

2.1 荷載試驗效率系數

根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG T-J21-01-2015）規定，靜力試驗荷載效率ηq可由式（1）計算得到：

ηq=SSS′·（1+μ）（1）

式中：

SS——靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力、應力或變位的最大計算效應值；

S′——檢算荷載產生的同一加載控制截面內力、應力或變位的最不利效應計算值；

μ——按規范取用的沖擊系數值；

ηq——靜力試驗荷載效率。

荷載試驗效率系數在橋梁檢測中是一個評估靜力荷載加載力度的指標，表示為響應值與理論響應值的比值，其解決了設計荷載與實際荷載不同形式間的加載問題，使得結構只需在加載集中力（試驗車輛）的情況下，就能在當前截面產生與設計荷載（均布力+集中力）幾乎相同的內力效應［6］。荷載試驗效率系數越接近于1，越能產生等價效應。

規范規定的靜力荷載試驗效率ηq的取值范圍為［7］：0.85<ηq<1.05。

2.2 有限元計算

根據橋梁加固圖紙，利用Midas Civil軟件建立橋梁結構模型（圖2），對其進行靜載試驗理論分析，根據試驗橋跨的彎矩包絡圖、位移包絡圖確定最不利截面，然后確定相應的荷載試驗工況。

由于建立的有限元模型為單梁模型，因此結構在偏載、中載作用下受力狀態相同。經計算，最大正、負彎矩包絡圖如圖3所示。

2.3 確定控制截面

該結構以42#墩為軸，順橋向對稱，考慮計算的對稱性、試驗的經濟性及規范要求，依照規范要求及有限元計算結果，總共確定了3個控制截面、6個工況。

主橋第40跨控制截面記為C截面，為最大正彎矩控制截面，位于距39#墩46.61 m處。主橋第41跨控制截面記為E截面，為最大負彎矩控制截面，位于41#墩頂梁根部。主橋第42跨控制截面記為D截面，位于距42#墩反向68 m處。控制截面布置如圖4所示。

2.4 確定試驗工況

根據選取的控制截面，確定該橋的試驗工況如下：

（1）工況1：主橋第40跨C截面偏載最大正彎矩及撓度。

（2）工況2：主橋第40跨C截面中載最大正彎矩及撓度。

（3）工況3：主橋第42跨D截面偏載最大正彎矩及撓度。

（4）工況4：主橋第42跨D截面中載最大正彎矩及撓度。

（5）工況5：主橋第41跨E截面偏載墩頂最大負彎矩。

（6）工況6：主橋第41跨E截面中載墩頂最大負彎矩。

依據各控制截面的彎矩影響線及選用的試驗車輛軸重，在有限元模型中對結構進行動態加載，確定各工況下試驗車輛的布設數量、位置、荷載試驗效率系數值。

各工況下控制截面的理論值、產生的彎矩值、荷載試驗效率系數如表1所示，試驗加載過程分級進行。

2.5 測點布置

撓度測點沿橋面兩側設置，在兩個試驗跨兩側的跨中、兩個L/4和支點的位置，如圖5、圖6所示。

應變測點沿試驗跨的跨中截面設置，在試驗跨的跨中和支座處箱梁的底板及腹板位置布置，如下頁圖7～9所示。

3 靜載試驗結果分析

限于篇幅，工況1～6的試驗結果如表2、表3所示。

主橋第40跨在最大正彎矩偏載、中載工況下，第42跨在最大正彎矩偏載、中載工況下，關鍵測點撓度校驗系數均小于規范允許值1，梁體殘余撓度比均小于規范規定值20%，滿足規范要求，橋梁剛度滿足加固設計要求。

主橋第40跨在最大正彎矩偏載、中載工況下，第42跨在最大正彎矩偏載、中載工況下，及墩頂在負彎矩工況下，關鍵測點應力校驗系數均小于規范允許值1，梁體殘余應變比均小于規范規定值20%，滿足規范要求，橋梁強度滿足加固設計要求。

4 結語

（1）試驗荷載作用下，各工況應變校驗系數在0.61～0.88，均<1，表明所測結構強度達到加固設計要求；各工況撓度校驗系數在0.59～0.84，均<1，表明所測結構剛度達到加固設計要求。

（2）試驗荷載作用下，最大殘余應變為18.18%，最大殘余撓度為17.65%，均滿足規定≤20%的要求，表明在試驗荷載作用下結構處于彈性工作狀態。

（3）綜上所述，加固后的橋梁在設計荷載作用下的表現優于預期，證明了所采用加固技術和方法的有效性。本次試驗不僅驗證了橋梁加固后的承載力，也為未來類似橋梁加固的評估工作提供了寶貴的經驗和數據支持。

參考文獻

［1］吳 壯，張孝千.碳纖維加固橋梁的施工工藝及荷載試驗研究［J］.交通科技，2018（3）： 90-93.

［2］DEBEES M，LULECI F，CATBAS F N. Effect of structural repairs on the load rating and reliability of a prestressed concrete bridge［J］. Advances in bridge engineering，2023，4（1）： 8.

［3］程 彬.基于荷載試驗的鋼筋混凝土簡支梁橋承載能力評估［J］.能源與環保，2018，40（2）：162-166，176.

［4］HU C，LUO W，CHEN S.Evaluation of bearing capacity of reinforced stone arch bridge based on static load test［C］.2020 6TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCES IN ENERGY，2020.

［5］宋澤岡，鄧旭東，殷繼華.空心板梁橋加固前后受力性能對比試驗研究［J］.公路，2020，65（9）：84-89.

［6］邢 兵，強士中，唐 堂.關于橋梁承載能力評定若干問題的思考［J］.中外公路，2015，35（6）：152-155.

［7］長安大學.公路橋梁荷載試驗規程［M］.北京：人民交通出版社，2016.

作者簡介：朱 浩（1984—），高級工程師，主要從事橋梁施工監控與檢測技術研究工作。