橋梁承載能力靜載評估辦法研究

邱曉晨

（廣東中惠工程檢測科技有限公司，廣東 惠州 516000）

1 橋梁承載能力靜載評估的方法基礎(chǔ)

在橋梁部位施加豎向壓力（靜置重物），觀測橋梁隨時間推移所產(chǎn)生的變化，包括橋梁應(yīng)力、應(yīng)變以及撓度等相關(guān)項(xiàng)目，以確定橋梁抗壓承載力和穩(wěn)定性，尤其可以掌握橋梁在最不利載荷條件下的應(yīng)變、載荷效率、實(shí)測值計(jì)算與理論值對比等相關(guān)情況，進(jìn)而分析橋梁的整體剛度、截面撓度等表現(xiàn)。

載荷試驗(yàn)相對復(fù)雜，需要提前做好試驗(yàn)安排和準(zhǔn)備工作。試驗(yàn)前須擬定試驗(yàn)清單，其中包括試驗(yàn)的步驟、需要的材料、人員、工具以及試驗(yàn)記錄的項(xiàng)目等，根據(jù)清單準(zhǔn)備相關(guān)物品、組織人力，在安排試驗(yàn)人員時應(yīng)在預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)人員數(shù)的基礎(chǔ)上再增加一定的富余人員，將試驗(yàn)任務(wù)落實(shí)到人，做到分工協(xié)作。

試驗(yàn)時先在對應(yīng)測點(diǎn)處進(jìn)行標(biāo)記，安排加載汽車和相關(guān)人員、全站儀和精密水準(zhǔn)儀等設(shè)備到位，加載汽車設(shè)備需要過磅，精準(zhǔn)控制質(zhì)量；安排加載車在橋面緩慢前進(jìn)進(jìn)行預(yù)壓，試驗(yàn)儀表進(jìn)行讀數(shù)調(diào)零，記錄環(huán)境數(shù)值和橋梁初始數(shù)值；采用分級加載辦法，逐級記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，直至點(diǎn)位滿載；加載汽車在駛至預(yù)定位置后，在滿載穩(wěn)定15 min后進(jìn)行首次測試讀數(shù)，然后10 min進(jìn)行二次讀數(shù)，以后每10 min為間隔進(jìn)行多次讀數(shù)，至當(dāng)次讀數(shù)數(shù)值小于上次讀數(shù)數(shù)值變量10%的，可判定結(jié)構(gòu)形變趨于穩(wěn)定，則本次讀數(shù)為最終實(shí)測數(shù)值；對受測點(diǎn)位進(jìn)行一次重物卸載，20 min后進(jìn)行應(yīng)變觀測，至應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定時進(jìn)行撓度測量。每次記錄測量數(shù)據(jù)時，應(yīng)同步記錄實(shí)時氣溫。

2 橋梁承載能力評估靜載試驗(yàn)要點(diǎn)

在靜載試驗(yàn)中，需要對現(xiàn)場進(jìn)行封閉管理，預(yù)加載環(huán)節(jié)必須處理得當(dāng)，消除結(jié)構(gòu)的非彈性變形。為了保證結(jié)構(gòu)變形的限度，施加載荷之后需要靜置觀察一段時間，確保在預(yù)定載荷下結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)，且受到響應(yīng)溫度等客觀環(huán)境條件對測量結(jié)果的影響，等待時間一般應(yīng)控制在10 min左右，最后一次測量讀數(shù)結(jié)束后，必須要進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形恢復(fù)測量。在靜載試驗(yàn)中進(jìn)行觀測，不同載荷條件下的數(shù)值是否存在問題需要精確判斷，一般情況下實(shí)測值超出理論數(shù)值或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值120%以上時，結(jié)構(gòu)可能會遭受嚴(yán)重?fù)p壞，此時需要緊急暫停加載，并進(jìn)行全面檢查和分析。

在數(shù)據(jù)處理時，強(qiáng)度校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)公式見式（1）。

式中：k為強(qiáng)度校驗(yàn)系數(shù)；σ為應(yīng)力的實(shí)測差值；σ為應(yīng)力的理論差值，且當(dāng)k≥1時受測橋梁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求不符。

剛度校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)公式見式（2）。

式中：k為剛度校驗(yàn)系數(shù)；δ為撓度實(shí)測值；δ為撓度理論值，且當(dāng)k≥1時，受測橋梁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求不符。

在最不利的應(yīng)力載荷下，應(yīng)對橋梁的外觀進(jìn)行觀測，查看是否存在開裂情況。

3 橋梁承載能力靜載評估實(shí)踐

3.1 評估實(shí)踐方案

省道S353線龍門至水貝段改建工程，金山互通G匝道橋，起止樁號如下：起點(diǎn)樁號GK0+280.779，終點(diǎn)樁號GK0+569.379。設(shè)計(jì)時速 40 km/h， 橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路—I級，設(shè)計(jì)使用年限100年，地震基本烈度方面，地震峰值加速度 0.005 g，特征周期為0.035 s，Ⅵ度區(qū)，按Ⅶ度防設(shè)，G匝道橋跨徑組合為（4×25）m+（4×25）m+（4×25）m+（28+30+25）m預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。

根據(jù)試驗(yàn)跨的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，第一聯(lián)連續(xù)梁選取邊跨及中跨進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測試斷面描述及測試項(xiàng)目見表1，各跨測試斷面位置示意如圖1所示。

圖1 測試斷面位置示意圖

表1 測試斷面及測試項(xiàng)目

該靜載試驗(yàn)荷載擬采用4輛（每輛總重約45 t）的三軸載重貨車，貨車左右輪距1.8 m，前輪與后前輪距3.5 m，后前輪與后輪距1.4 m。該靜載試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)橋梁在接近期望荷載的基本試驗(yàn)荷載作用下橋梁的變形及主要受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，也稱基本靜載試驗(yàn)，一般要求試驗(yàn)荷載在結(jié)構(gòu)主要控制斷面上所產(chǎn)生的效應(yīng)與期望荷載所產(chǎn)生的相應(yīng)效應(yīng)接近，其接近程度采用試驗(yàn)荷載效率系數(shù)η表示，見式（3）。

式中：η為靜力試驗(yàn)荷載效率系數(shù)，S為靜力試驗(yàn)荷載作用下控制斷面內(nèi)力計(jì)算值，為期望荷載作用下控制斷面最不利內(nèi)力計(jì)算值（不計(jì)沖擊系數(shù)），為按規(guī)范采用的沖擊系數(shù)。

該靜載試驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級，理論計(jì)算采用midas civil 2019 橋梁計(jì)算軟件建立試驗(yàn)聯(lián)模型進(jìn)行計(jì)算，上部結(jié)構(gòu)主梁靜載試驗(yàn)效率系數(shù)見表2，且該靜載試驗(yàn)效率系數(shù)為0.95~0.99，滿足橋梁試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程規(guī)定的靜載試驗(yàn)效率系數(shù)宜介于0.85~1.05的要求。

表2 橋梁靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

通過理論計(jì)算得到各測試斷面活載影響線，并由各測試斷面影響線按照荷載效應(yīng)等效及最不利布載原則進(jìn)行加載車載位布置。橋梁在汽車荷載作用下，偏載工況車輛布置橫斷面如圖2所示，每個工況分為四級加載，按設(shè)計(jì)車輛位置依次加載。

圖2 偏載作用下加載車橫向布置示意圖（單位：mm）

3.2 評估優(yōu)化思考

通過結(jié)構(gòu)計(jì)算獲取橋梁承載能力的評估依據(jù)，除試驗(yàn)過程中自帶因素之外，關(guān)鍵受到橋梁結(jié)構(gòu)組成和特點(diǎn)的影響，因此橋梁承載能力評估優(yōu)化應(yīng)注重結(jié)構(gòu)計(jì)算時橋梁自有屬性和特點(diǎn)下的影響規(guī)避和參數(shù)修正，主要內(nèi)容如下。1）橋面鋪裝。鋪裝層增加了橋梁截面的高度和橫向聯(lián)系，受鋪裝規(guī)格的影響截面參數(shù)會發(fā)生不同程度的變化，尤以截面慣性矩的增加幅度最大。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，混凝土橋面鋪裝與梁體結(jié)合較好，且缺損狀況評定標(biāo)度小于3時，可考慮橋面鋪裝參與受力，但同時應(yīng)扣除表面2 cm的磨耗層。2）截面鋼筋。理論上對不開裂的結(jié)構(gòu)應(yīng)采取毛截面特征，開裂結(jié)構(gòu)則采取換算幾何特性，但橋梁的實(shí)際情況在調(diào)查期間客觀存在偏差性，在具體計(jì)算過程中應(yīng)進(jìn)行理性考量。在現(xiàn)有的載荷計(jì)算中，常用的修正方法如下：1）以配筋率為基礎(chǔ)對橋梁主體結(jié)構(gòu)彈性模量進(jìn)行計(jì)算。2）以鋼筋的作用為基礎(chǔ)進(jìn)行橋梁截面慣性矩的計(jì)算。以配筋率為關(guān)鍵指標(biāo)建立的計(jì)算見公式（4）。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

校驗(yàn)系數(shù)。根據(jù)規(guī)定對試驗(yàn)值和分析值進(jìn)行對比，作為結(jié)構(gòu)整體受力性能的評價依據(jù)，見公式（5）。

式中：為校驗(yàn)系數(shù)，S為試驗(yàn)荷載作用下主要側(cè)點(diǎn)實(shí)測的彈性變位或應(yīng)變值，S試驗(yàn)荷載作用下主要側(cè)點(diǎn)的理論計(jì)算變位或應(yīng)變值。且≤1，否則判定橋梁承載能力不滿足要求。

溫度影響修正，見公式（6）。

式中：為溫度修正后的測點(diǎn)加載測值變化，為溫度修正后的測點(diǎn)加載測值變化，Δ為相應(yīng)于觀測時間段內(nèi)的溫度變化（℃）。對應(yīng)變宜采用構(gòu)件表面溫度，對撓度宜采用氣溫，K為空載時溫度上升1 ℃時測點(diǎn)測值變化量。

各測點(diǎn)變位（撓度、位移、沉降）與應(yīng)變的計(jì)算，如公式（7）~公式（9）所示。

式中：S為加載前測值，為加載達(dá)到穩(wěn)定時測值，S為卸載達(dá)到穩(wěn)定時測值。

引入相對殘余變位（或位移）的概念描述結(jié)構(gòu)整體或局部進(jìn)入塑性工作狀態(tài)的程度。相對殘余變位（或應(yīng)變）計(jì)算見公式（10）。

式中：S'為相對殘余變位（或應(yīng)變）。

主要測試 G匝道橋第4跨最大正彎矩?cái)嗝鎽?yīng)變和撓度測試情況、3#橋墩支點(diǎn)最大負(fù)彎矩?cái)嗝鎽?yīng)變測試情況以及支點(diǎn)沉降情況，測量結(jié)果對例如圖3所示。

圖3 工況1第4跨跨中斷面（1-1斷面）應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測值與理論值對比圖

第4跨跨中截面應(yīng)變測試。連續(xù)梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.82，均小于1.0，滿足要求。相對殘余應(yīng)變S'最大為9.2%，小于容許值20%，滿足要求。3#橋墩支點(diǎn)斷面應(yīng)變測試。連續(xù)梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.87，均小于1.0，滿足要求。相對殘余應(yīng)變S'最大為10.0%，小于容許值20%，滿足要求。第4跨跨中截面撓度測試。連續(xù)梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的撓度校驗(yàn)系數(shù)最大為0.82，均小于1.0，滿足要求。 相對殘余變位S'最大為2.8%，小于容許值20%，滿足要求。

主要測試G匝道橋第3跨最大正彎矩?cái)嗝鎽?yīng)變和撓度測試情況以及支點(diǎn)沉降情況：第3跨跨中截面應(yīng)變測試。連續(xù)梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.79，均小于1.0，滿足要求。相對殘余應(yīng)變S'最大為5.8%，小于容許值20%，滿足要求。第3跨跨中截面撓度測試。簡支鋼板梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的撓度校驗(yàn)系數(shù)最大為0.82，均小于1.0，滿足要求。相對殘余變位S'最大為 3.2%，小于容許值20%，滿足要求，如圖4所示。

圖4 工況2第3跨跨中斷面（3-3斷面）撓度測點(diǎn)實(shí)測值與理論值對比圖

對省道S353線龍門至水貝段改建工程G匝道第1聯(lián)第3跨、第4跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)，采用的荷載效率系數(shù)控制在0.85~1.05，進(jìn)行荷載試驗(yàn)和理論分析計(jì)算，對其整體受力性能按照相關(guān)評定規(guī)程的規(guī)定綜合評定結(jié)論如下。

各試驗(yàn)跨在相應(yīng)靜載試驗(yàn)工況下，應(yīng)變、撓度的校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，滿足要求。各試驗(yàn)跨控制截面各測點(diǎn)在相應(yīng)靜載試驗(yàn)工況下相對殘余變位（或應(yīng)力）均小于20%，表明該橋各試驗(yàn)跨在試驗(yàn)荷載作用下，處于彈性工作階段內(nèi)。在靜載試驗(yàn)期間，該橋左幅第3跨、第4跨均未發(fā)現(xiàn)可見結(jié)構(gòu)裂縫，滿足要求。

4 結(jié)語

在橋梁承載能力評估過程中，需要做好相關(guān)數(shù)據(jù)信息的搜集工作，奠定評估基礎(chǔ)，同時應(yīng)綜合考慮評估結(jié)果的影響因素，包括試驗(yàn)過程中的操作細(xì)節(jié)、人員素養(yǎng)以及橋梁結(jié)構(gòu)或材料等，充分結(jié)合相關(guān)技術(shù)要求，提升評估精準(zhǔn)度。