基于靜載試驗(yàn)的板橋檢測(cè)及性能分析

王兆斌，王 洋

（1.山西省孝義市公路管理段，山西 孝義 032300；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

橋梁在自然環(huán)境的侵蝕和荷載作用下，其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定的損傷，導(dǎo)致承載能力降低，影響了正常的交通，制約了社會(huì)的發(fā)展[1]。對(duì)現(xiàn)有服役橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力檢測(cè)，可以掌握實(shí)際運(yùn)營(yíng)性能狀況[2]。橋梁靜力荷載試驗(yàn)是判別橋梁承載能力的有效手段，試驗(yàn)基于橋梁歷史資料和使用狀況，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算分析，能夠準(zhǔn)確把握橋梁現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)狀況和承載能力[3-7]。以山西省某八跨簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力空心板梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^靜力荷載的試驗(yàn)方法，進(jìn)行橋的整體受力性能評(píng)定，對(duì)提高橋梁的安全性具有重要的意義。

1 工程概況

該橋建于1995年4月，橋梁全長(zhǎng)143m，上部結(jié)構(gòu)為八跨簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力空心板，橫向分布13塊板，每跨橋長(zhǎng)16m。橋面寬度：凈15m（行車道）+2×0.5m（護(hù)欄），全寬16m。下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，基礎(chǔ)橋臺(tái)為重力式橋臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載：公路—Ⅰ級(jí)。為了判定該橋整體性能是否滿足使用要求，對(duì)該橋進(jìn)行了靜力荷載試驗(yàn)。該橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)常規(guī)檢查結(jié)果及橋梁施工圖，結(jié)合左幅為重載交通，選擇左幅第三跨作為試驗(yàn)橋跨進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)的內(nèi)容為在試驗(yàn)荷載作用下跨中截面最大正彎矩和撓度。試驗(yàn)加載按公路Ⅰ級(jí)汽車荷載進(jìn)行，利用Midas Civi車道面加載功能計(jì)算車道面荷載作用下的最不利內(nèi)力效應(yīng)，然后根據(jù)彎矩等效原則確定試驗(yàn)荷載為350KN加載車輛（前軸70KN，后雙軸均為140KN），如圖2所示。

2.2 靜載試驗(yàn)效率的確定

靜力荷載試驗(yàn)效率是某一控制斷面在試驗(yàn)荷載作用下的計(jì)算效應(yīng)與該截面對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)控制效應(yīng)的比值。靜力試驗(yàn)荷載一方面應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面又應(yīng)能充分暴露結(jié)構(gòu)的承載能力，靜力試驗(yàn)荷載效率宜介于0.95～1.05之間。靜載試驗(yàn)效率ηq的計(jì)算公式為：

式中，SS——加載控制截面內(nèi)力的最大計(jì)算效應(yīng)值

S'——設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力的最不利效應(yīng)計(jì)算值

μ——沖擊系數(shù)值

在設(shè)計(jì)荷載作用下，計(jì)算出試驗(yàn)控制截面的最不利設(shè)計(jì)彎矩，并計(jì)算出在該試驗(yàn)荷載作用下，控制截面產(chǎn)生的試驗(yàn)彎矩，則試驗(yàn)荷載效率如表1所示。

表1 控制截面靜力試驗(yàn)彎矩荷載效率表

2.3 加載工況

加載車輛數(shù)及加載位置，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值按等效原則換算可得。

（1）主梁跨中正彎矩控制截面加載工況：檢測(cè)邊主梁B邊截面和B中截面承受最大正彎矩，考慮1#梁和2#梁控制彎矩和橫向分布系數(shù)幾乎相同，故一次加載可得到兩個(gè)截面的數(shù)據(jù)。最大試驗(yàn)荷載工況布置如圖3所示。

（2）橋跨的跨中最大彎矩控制B截面偏心加載工況。為了檢測(cè)截面承受最不利偏心荷載時(shí)結(jié)構(gòu)的空間受力性能，采用如圖4所示加載布置。

2.4 撓度試驗(yàn)

結(jié)合簡(jiǎn)支梁橋的特點(diǎn)，在試驗(yàn)跨中和支點(diǎn)處共布置了九處撓度測(cè)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)采用電阻式位移進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。

2.5 應(yīng)變?cè)囼?yàn)

由于梁橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)跨中（B截面）共布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)八處。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖6。圖中字母為控制截面編碼，數(shù)字為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)號(hào)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 截面撓度分析

（1）撓度測(cè)試校驗(yàn)系數(shù)分析

最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下中載工況和偏載工況下跨中截面各梁撓度校驗(yàn)系數(shù)如表2所示，其實(shí)測(cè)撓度值與理論計(jì)算值曲線見圖7。

由圖7可見，在最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，跨中截面中載工況撓度校驗(yàn)系數(shù)3號(hào)梁二分之一截面最大達(dá)0.571；偏載工況撓度校驗(yàn)系數(shù)3號(hào)梁二分之一截面最大達(dá)0.585，其它測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均介于0.209～0.585之間，滿足規(guī)范[8]中校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)不大于1的要求，且實(shí)測(cè)彈性撓度與理論計(jì)算撓度曲線一致，實(shí)測(cè)最大撓度小于理論計(jì)算撓度，表明橋梁結(jié)構(gòu)剛度較好。

（2）相對(duì)殘余撓度變形分析

相對(duì)殘余撓度變形是測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)殘余撓度變形與實(shí)測(cè)總撓度的比值。最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下主要測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余撓度曲線如圖8所示。

表2 撓度校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由圖8可見，實(shí)測(cè)卸載下，跨中截面中載工況相對(duì)殘余撓度變形2號(hào)梁二分之一截面最大達(dá)4.78%；偏載工況下相對(duì)殘余撓度變形2號(hào)梁二分之一截面最大達(dá)6.04%。其他撓度測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余撓度值均不大于20%，根據(jù)要求，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 應(yīng)變結(jié)果分析

（1）應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分析

在最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，中載工況和偏載工況梁跨中截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算值如表3所示。其各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比如圖9所示。

由圖9可見，在最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，B3、B4、B5應(yīng)變測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在兩個(gè)工況下均介于0.407～0.910之間，均小于1，說明B3、B4、B5測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好；B1點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在工況一下達(dá)到1.091，B6點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在工況二下達(dá)到1.196，B1、B6測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在工況一、二情況下均大于1，超出了規(guī)范值，B1、B6測(cè)點(diǎn)強(qiáng)度已無法保證。

表3 應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

（2）測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變結(jié)果分析

相對(duì)殘余應(yīng)變等于測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)殘余應(yīng)變與實(shí)測(cè)總應(yīng)變的比值。在最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變見圖10所示。

由圖10可見，B1點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變最大，在工況一時(shí)達(dá)34.9%，工況二時(shí)達(dá)到66.88%，超出規(guī)范要求的20%上限，表明結(jié)構(gòu)的受壓區(qū)處于塑性工作狀態(tài)；B3～B6測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變均介于1.46%～6.36%之間，符合規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)處于彈性工作狀態(tài)。從梁的整體工作狀態(tài)看，梁的受壓區(qū)混凝土的承載能力已經(jīng)受到影響，從安全的角度建議重建主梁。

4 結(jié) 論

通過采用荷載試驗(yàn)法對(duì)山西省某預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支梁大橋進(jìn)行了實(shí)地靜力荷載檢測(cè)試驗(yàn)。在分析跨中最大彎矩，偏載工況下檢測(cè)截面的撓度值、應(yīng)變值等參數(shù)，得到截面承受最大正彎矩，截面承受最不利偏心荷載時(shí)結(jié)構(gòu)的空間受力性能。通過分析計(jì)算測(cè)點(diǎn)撓度、應(yīng)變相對(duì)殘余變形校驗(yàn)系數(shù)，最終得到該橋整體剛度，控制截面強(qiáng)度性能，并提出了橋梁處置建議，為提高橋梁安全性提供了一種新的研究思路。

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