在役橋梁靜載試驗實例分析

張文浩，劉肖凡，胡天碧，諶 兵

(1.武漢工業學院結構與新材料研究所，湖北武漢430023;2.信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司，四川成都610021;3.湖北省大悟縣交通局，湖北 孝感432800)

環境影響、日益增長的交通量、以及公路運輸業提高汽車荷載標準，使得既有橋梁不能滿足為設計新橋而規定的結構要求;劣化和荷載的增加導致橋梁的可靠性的降低，橋梁的可靠度最終可能降低到規定的水平之下。為了保證橋梁安全運營，滿足日益提高的汽車運輸等級，及時了解橋梁的技術狀況，對大悟聯絡線環水三橋進行全面的檢測，調查橋梁病害原因，根據檢測結果對橋梁現狀做出綜合評估，并結合文獻［1］提出可行的橋梁養護、維修或改造建議。

1 工程概況

大悟聯絡線環水三橋是京珠高速公路湖北省國道連接線的一個控制性工程，起止里程為(K2+579.125)—(K2+854.875)，全長 275.75 m，橋孔布置為4×30+5×30，共9孔30 m，橋面寬度為12.5 m，其中外側欄桿為0.25 m，凈寬(9+2×1.5)m，橋面橫坡采用單向1.5%，采用橋面連續。環水三橋上部結構為9孔30 m后張法預應力混凝土T型梁，梁長29.94 m，高2 m，每孔5片，共計45片預應力梁。下部結構由橋臺、承臺、鉆孔樁組成。設計荷載：汽-20、掛車-100;人群荷載：3.5 kN/㎡;抗震設計標準為地震峰值加速度系數0.05;設計洪水頻率1/100。

2 靜載試驗方案

本次試驗采用彎矩或剪力等效方法進行理論分析，計算得出全橋彎矩(剪力)包絡圖，首先確定最大內力構件。根據文獻［2］的規定，進一步在試驗構件上確定內力控制斷面，工況設置見表1。

表1 靜載試驗各工況及測試內容

2.1 試驗荷載及工況劃分

在荷載試驗過程中，在保證荷載試驗效率滿足規范要求的條件下，經計算采用6輛200 kN單軸載重車加載，其各軸重如圖1所示。

圖1 加載車軸重示意圖

按各控制斷面的控制目的布置共安排了4種工況，各工況具體劃分如表1所示。縱橋向按8#—9#墩間(第1跨)布置工況1、工況2、工況3、工況4;縱橋向按5#—6#墩間(第4跨)布置工況1、工況2。

2.2 靜力荷載試驗的觀測內容

2.2.1 測試斷面

結合前期外觀檢測觀察到的橋梁破損情況，并綜合考慮試驗實施的難易程度，選擇主橋第1跨、第4跨進行靜載試驗。試驗選取截面A-A—D-D為測試截面，編號如圖2所示。

圖2 主橋試驗控制截面(單位：cm)

2.2.2 測點布置

(1)T梁應變測點。考慮到T梁腹板高度遠大于翼緣厚度，將各測試截面的應變測點全部布置在T梁腹板。對A截面、C截面，沿主應力方向粘貼混凝土應變片;對D截面，粘貼應變花。

(2)T梁撓度測點。撓度測點布設在T梁底面中線上，千分表應安置在牢固的支架上，并不得和腳手架連接。

按各控制斷面的控制目的布置共安排了4種工況。

靜載試驗效率計算方法為：

其中，Ss為靜載試驗荷載作用下控制截面內力計算值;S為計入沖擊系數的控制荷載作用下控制截面最不利內力計算值。

為保證試驗效果，根據大跨徑混凝土橋梁的試驗方法，在選擇試驗荷載大小及加載位置時應使靜載試驗效率 η 滿足：0.8≤η ≤1.0.

2.3 試驗加載原則及終止加載條件

為了獲取結構試驗荷載與變位的相關曲線，以及防止結構意外損傷，試驗加載采用分級加載的方式，共分3級加載，1級卸載。每次加載或卸載要求在前一荷載階段內結構變位相對穩定后，才能進入下一個荷載階段。選定一個敏感的測點在加載后進行觀測，達到穩定后方可進入下一級加載。

卸載過程中，禁止多輛加載車同時啟動。為了防止試驗荷載對橋梁造成損傷，在試驗加載過程中應加強安全監測，發生下列情況立即終止加載：①控制測點應力值已超過理論計算的控制應力值時;②控制測點變位(或撓度)超過規范允許值時;③由于加載，使結構裂縫的長度，縫寬急劇增加，新裂縫大量出現，縫寬超過允許值的裂縫大量增多，對結構使用壽命造成較大的影響時。

3 試驗數據及分析

3.1 應力測量及分析

取混凝土彈性模量E=3.35×104MPa根據所測應變計算各測點的實測應力，現將各工況下各相關測試截面應變、應力值分別列于圖3圖4，其中應力以拉為“+”，以壓為“-”，圖中虛線表示實測值，實線表示計算值。

圖3 C截面應變分析

圖4 A截面應變分析

3.1.1 C截面應變分析

在靜活載作用下，C截面實測應變沿高度基本上成直線變化，說明結構受力處于彈性狀態，受力狀況良好。工況1作用下，C截面處邊梁(5#梁)受壓區應變校驗系數為2.06;工況2作用下，C截面處邊梁(1#梁)受拉區應變校驗系數為1.05。以上各測點校驗系數均大于1，超過了《公路舊橋承載能力鑒定方法》(試行)中校驗系數不能大于1.0的規定。

3.1.2 A截面應變分析

在靜活載作用下，A截面實測應變沿高度基本上成直線變化，說明結構受力處于彈性狀態，受力狀況良好。工況1作用下，A截面處4#梁、5#梁受拉區應變校驗系數分別為0.8403、1.15;工況2作用下，A截面處2#梁受壓區應變校驗系數為0.8471，3#梁的受壓區應變校驗系數為0.8414。以上各測點校驗系數除5#外均小于1，滿足了《公路舊橋承載能力鑒定方法》(試行)中校驗系數不能大于1.0的規定。

3.1.3 D截面剪應力分析

工況3、4作用下，D截面梁最大剪應力的校驗系數均未超過1.0，滿足《公路舊橋承載能力鑒定方法》(試行)的要求。

3.2 撓度測量及分析

工況1下其控制截面的撓度測量結果整理如圖5圖6所示。

圖5 工況1作用下C截面1#梁跨中撓度分析

圖6 工況1作用下A截面1#梁跨中撓度分析

在工況1(偏載)作用下，C、A截面撓度校驗系數最大分別是邊梁(5#梁)為0.36、0.43，在工況2(中載)作用下，C、A截面撓度校驗系數最大是中梁(3#梁)為0.26、0.32，均小于《公路舊橋承載能力鑒定方法》(試行)中規定的鋼筋混凝土梁橋撓度校驗系數為0.50—0.90的要求;而且卸載后殘余變形與該點最大實測值的比值范圍為0—8.47%，均小于規范規定的20%，說明橋梁上部結構單梁剛度滿足正常使用要求。

3.3 截面撓度橫向分布

截面撓度橫向分布是反映結構橫向連接的一個重要指標，不同工況下C控制截面主要測點撓度的橫向分布如圖7至圖8所示。

圖7 工況1作用下C截面撓度橫向分布

圖8 工況2作用下C截面撓度橫向分布

對比實測撓度與理論撓度的橫向分析圖，橫向分布實測值與理論計算值比較接近，且實測值未超出理論計算值范圍，說明橋梁結構梁與梁之間的的橫向聯系較好，橋梁整體性較好。

3.4 裂縫觀察

試驗荷載逐級加載，在每級荷載下對控制截面梁體進行裂縫觀測，通過在加載過程中對控制截面的裂縫觀測發現本橋在加載過程中梁體未出現裂縫，整橋處于安全狀態。

4 結論

通過外觀檢查、荷載試驗測試橋梁結構各關鍵部位的應力、應變、撓度，得到以下結論。

(1)2#梁、3#梁、4#梁滿足汽車公路Ⅰ級設計荷載要求，靜載試驗中應變校驗系數小于1.0，撓度校驗系數小于1.0，撓度殘余量比值系數小于20%，滿足規范要求。

(2)1#梁、5#梁不滿足汽車公路-Ⅰ級設計荷載要求，靜載試驗中部分測點應變校驗系數大于1.0，不滿足規范要求，撓度校驗系數均小于1.0，撓度殘余量比值系數小于20%，滿足規范要求。

(3)在整個試驗加載過程中，結構受力處于彈性狀態，受力狀況良好，橋梁結構未出現裂縫，橋梁結構質量良好。

(4)橋梁結構梁與梁之間的的橫向聯系較好，橋梁整體性較好。

(5)根據上述試驗結果及分析，橋梁結構2#梁、3#梁、4#梁在強度、剛度、抗裂性能均滿足設計規范及營運要求，在設計荷載下處于安全狀態。建議對1#梁、5#梁進行補強加固，以提高橋梁整體承載能力。

［1］ 陜西省公路局，長安大學.JTJ H11-2004公路橋涵養護規范［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 交通部第二公路勘察設計院.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行1988)［Z］.北京：交通部第二公路勘察設計院，1988.

［3］ 張興斌.橋梁結構靜載試驗實施重點及難點分析［J］.北方交通，2011(5)：118-120.