張茵濤

(大西鐵路客運專線有限責任公司，山西 太原　030027)

橋梁是地面交通的紐帶，其安全性對人們生命、財產安全有著重要意義。然而環(huán)境腐蝕作用、地基沉降、超負荷服役、施工缺陷等均不斷給橋梁安全帶來隱患，同時復雜的工作環(huán)境，使得橋梁結構理論受力狀態(tài)與實際服役中受力狀態(tài)存在差異，因此現場原位試驗對在役橋梁工作狀態(tài)的掌握有著重要價值[1]。

橋梁結構靜載試驗，是目前在役橋梁檢測中的一項重要檢測方法，通過在指定位置施加預期荷載的方式模擬實際工作狀態(tài)，并根據指定位置截面的應力、撓度等參數變化規(guī)律，結合理論分析結果，經綜合對比研究可以得到橋梁的安全承載力，同時還可以找出一些難以發(fā)現的隱蔽病害[2- 4]。

1　工程概況

一橋梁于2011年建成并投入使用至今。全橋共5跨，總長度為94.16 m，見圖1。橋面寬度為10 m。設計荷載等級為公路-Ⅰ級。上部結構采用預應力箱梁，支座形式均為板式橡膠支座；下部結構分別為柱式橋臺、樁基礎及蓋梁柱式墩、樁基礎。橋面結構為18 cm 濕接縫、8 cm水泥混凝土調平層、10 cm瀝青混凝土鋪裝層。

圖1　橋梁布置示意(單位：m)

2　有限元分析

該橋計算分析采用空間有限元軟件MIDAS/Civil。該軟件對預應力箱形梁橋、懸索橋、斜拉橋以及水化熱分析等土木建筑的分析中所需的各種功能作了綜合的考慮，適用于多種形式的橋梁分析與設計。

1)計算參數

設計荷載：公路-Ⅰ級；

結構材料：C50混凝土；

汽車荷載系數：1-1#梁橫向分布系數為0.598,1-2#梁橫向分布系數為0.607，縱向折減系數為1.0。

2)計算模型

主橋連續(xù)梁橋模型均采用空間梁單元模擬，全橋共離散為93個節(jié)點，92個單元。

3)活載包絡圖

根據上述荷載情況，分析得到活載作用下橋梁的彎矩包絡圖，可知邊跨跨中彎矩值最大。

3　靜載試驗

靜載試驗是在計算位置施加靜荷載，并對控制截面的位移、應變等參數進行測試，從而對在役橋梁現狀荷載作用下的工作性能作出準確的判斷與評價[5-6]。本次靜載試驗的目的：通過實測控制截面的應力、撓度，了解橋梁的實際工作狀態(tài)，判斷與設計是否吻合，確定在役橋梁是否處于正常工作狀態(tài);通過有限元理論計算值與實測值的對比分析，判斷橋梁的承載力是否滿足要求；現場實測結果為橋梁的日常維護、加固及改造提供必要的依據。

3.1　加載方式

本次試驗選用32 t三軸汽車加載，并根據等效荷載效應(包括應力、應變等)進行加載控制。靜力荷載試驗效率ηq為試驗荷載與設計荷載效應等效程度的參數，見公式(1)。由于在役橋梁長期處于復合受力狀態(tài)，且周邊環(huán)境對其影響較大，通常情況下對ηq取值要求較為嚴格，應介于0.95～1.05之間[7]。

(1)

式中：S為靜力試驗中控制斷面的最大荷載效應；S′為設計荷載作用下相同截面的最不利荷載效應；μ為規(guī)范規(guī)定的沖擊系數。

根據本工程特點選用不同車型進行加載試驗。加載車主要技術資料見表1。

表1　加載車主要技術資料

根據上述有限元模型計算結果，可以得到該橋梁的荷載效率，見表2。

表2　靜力荷載試驗加載效率

3.2　加載過程

本次試驗將采用分級加載方式進行，共分為4級。進行下一級加載前應確保結構處于穩(wěn)定狀態(tài)，并按照指定位置逐級加載。穩(wěn)定狀態(tài)的判定：加載后結構控制截面的最大變位測點最后5 min內的變位增量小于最初5 min變位增量的15%，則可以近似認為結構處于穩(wěn)定狀態(tài)，且結構加載趨于穩(wěn)定狀態(tài)的時長不應小于15 min。

試驗加載過程由專人統(tǒng)一指揮，及時掌握各方面情況，根據試驗數據的實時分析情況安全有序地實施加載計劃。

3.3　測點布置

結合本次試驗目的及箱形截面梁受力特點，依據MIDAS/Civil分析所得內力包絡圖，測點布置見圖2。其中1-1#梁～1-4#梁測點為撓度測點(與梁號相同)，1#～8#測點、11#～13#測點及21#～23#測點為應力測點。

圖2　控制截面及測點布置(單位：cm)

4　試驗結果分析

4.1　撓度

靜載試驗滿載作用下得到該橋梁的撓度如圖3所示?？芍涸摌蛄哼吙缈缰懈鳈z測點的撓度實測值與計算值趨勢基本相同；沿主梁橫向實測撓曲線較為平緩，在主梁斷面各位置無突變；實測撓曲線相比于理論撓曲線曲率較小。此外，實測撓度值均介于彈性撓度值與計算撓度值之間，可見卸載后該橋梁存在一定的殘余變形，相對殘余變形介于7.8%～9.2%之間，均小于20%。上述現象均表明在試驗過程中各主梁協同受力，主梁橫向聯系較好，且相鄰主梁間橫向剛度大于理論計算值，該橋梁結構在靜載試驗過程中能夠較好的保持彈性工作狀態(tài)。

4.2　應力

滿載作用下該橋梁下翼緣各測點的應力分布情況如圖4所示。圖中各測點應力值均為拉應力(負值)，符合該橋梁的受力特性；滿載時實測應力值、彈性應力值及計算應力值分布趨勢基本相同，且彈性應力值與計算應力值基本接近，且均小于滿載時實測應力值。由此可知，卸載后各測點均存在一定的殘余應力，經計算殘余應力值介于7.8%～10.7%之間，均小于20%，故該橋梁控制截面下翼緣板能夠在試驗過程中保持良好的彈性工作狀態(tài)。

圖4　下翼緣板底應力測試結果

圖5　腹板應力測試結果

滿載作用下該橋梁腹板各測點的應力分布見圖5。腹板各測點實測應力值基本小于計算應力值，各測點在滿載作用下均處于彈性狀態(tài)；腹板各測點應力曲線與腹板集合外形基本相同，且未出現應力突變現象，符合設計要求，截面形式合理。上述現象均說明該橋梁在滿載作用下，腹板能夠保持良好的彈性工作狀態(tài)。

上述應力測試結果均表明，該橋梁各控制截面在滿載作用下能夠保持良好的彈性工作狀態(tài)，截面應力均未出現凸顯現象，符合平截面假定的要求。

4.3　校檢系數

在役橋梁結構工作性能評定中校檢系數ζ是一個重要的指標。該指標可以根據靜載試驗中彈性變形指標(包括應力、應變等)與相應的理論計算值的比值確定[8-9]。計算公式為

(2)

式中：Se為試驗荷載作用下主要測點的實測彈性變位或應變值；Ss為試驗荷載作用下測點的理論計算變位或應變值。

根據相關規(guī)范規(guī)定，當ζ<1時，則表示橋梁結構的實際工作狀態(tài)良好，能夠滿足要求，且理論計算較保守，具備足夠安全儲備。

根據上述計算及實測結果，得到該橋梁的校檢系數如圖6所示。可以看出校檢系數均介于0.7～0.8之間，滿足相關規(guī)范要求，進一步表明該橋梁具有足夠的安全儲備。

圖6　校檢系數分布情況

5　結論

為分析在役橋梁的承載能力，開展了在役橋梁撓度、應力測量的靜載試驗，分析了該在役橋梁現狀工作狀態(tài)，得到如下主要結論：

1)該橋靜力荷載試驗荷載效率介于0.97～1.02之間，滿足相關規(guī)范標準的要求，同時表明試驗荷載所產生的最不利效應可反映設計規(guī)范基本可變荷載效應的特征。

2)試驗過程中各主梁協同受力，主梁橫向聯系較好，撓度、應變曲線均平緩，且殘余變形均小于20%，表明該橋梁結構在靜載試驗過程中能夠較好的保持彈性工作狀態(tài)，且控制截面變形與平截面假定吻合。

3)實測的主梁控制截面校驗系數在0.7～0.8之間，表明結構強度和豎向剛度能夠滿足設計要求。

綜上所述，該在役橋梁工作性能良好，受力狀態(tài)與計算結果吻合，安全儲備較高。

[1]吳建軍,陳和,張啟偉,等.現場橋梁靜載試驗評定與分析[J].公路,2004(12):62-65.

[2]吳建奇,鄭曉,張婷婷.橋梁檢測中的靜載試驗研究[J].鐵道建筑,2011,51(2):42-44.

[3]陳孝珍,朱宏平,陳傳堯.基于靜載試驗的橋梁安全性評價[J].土木工程與管理學報,2005,22(3):37-39.

[4]向洪,楊春林,龔江烈.靜載試驗評定橋梁承載能力的問題探討[J].公路工程,2013(6):217-219.

[5]王春平.某鋼桁架橋靜載試驗研究[J].土木工程與管理學報,2011,28(1):76-79.

[6]傅光奇,呂梁,賈毅,等.鋼板加固簡支梁橋靜載試驗研究[J].鐵道建筑,2017,57(6):24-27.

[7]唐峰.某連續(xù)箱梁橋靜載試驗分析[J].公路工程,2012,37(3):191-194.

[8]王凌波,蔣培文,馬印平,等.橋梁靜載試驗校驗系數及優(yōu)化評定方法研究[J].公路交通科技,2015,32(6):62-68.

[9]徐長峰,高崇威.統(tǒng)一模型下的橋梁靜載試驗撓度校驗系數分析[J].公路,2016(12):97-100.