曾 勇，曾渝茼，范和平，羅小清，張亭亭

(1.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心，重慶 400074；3.忠縣暢達建設(shè)投資有限公司，重慶 404100；4.山東廣信工程試驗檢測集團有限公司，山東 濟南 250002)

我國交通運輸行業(yè)持續(xù)蓬勃發(fā)展，大跨簡支鋼箱梁橋的數(shù)量逐漸增多。為了保證此類橋梁設(shè)計的可靠性和施工質(zhì)量，其承載能力需要進行評估。荷載試驗因其便捷、可靠的優(yōu)點被業(yè)界廣泛運用。馬超等[2]提出了評述橋梁荷載試驗的主要步驟及要點，表明橋梁荷載實驗主要是通過模擬實際運營時的最不利荷載情況，然后經(jīng)過實測值與計算值對比分析而達到評定橋梁結(jié)構(gòu)是否可靠的效果；賈毅等[3]對簡支組合梁橋進行了荷載試驗研究，并驗證了其結(jié)構(gòu)可靠性；梁寧一等[5]對軌道專用橋展開了荷載試驗研究，并對其進行控制計算分析；李元兵等[6]對千米級斜拉橋開展了結(jié)構(gòu)靜力行為試驗研究，驗證了其橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性；李龍等[7]對小邊跨梁拱組合體系橋梁進行了靜動力荷載試驗與結(jié)構(gòu)評定分析；傅光奇等[8]對鋼板加固后的簡支梁橋開展了荷載試驗(靜載)研究。目前，國內(nèi)外對于大跨簡支鋼箱梁橋荷載試驗研究還較少，由于同類橋梁數(shù)量較多，因此對大跨簡支鋼箱梁橋進行荷載試驗對同類工程具有一定的參考意義。

本文對某大跨徑簡支鋼箱梁橋開展了靜載試驗。研究在正載及偏載兩種荷載工況下該橋主梁控制截面的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度值，將荷載試驗得到的實測值與有限元軟件建模計算的理論值進行對比分析，并且對試驗前后控制截面其他異常(如裂縫等)現(xiàn)象進行觀測。通過該橋的靜載試驗研究，綜合分析其承載能力、實際運營狀況，為同類工程問題提供參考。

1 工程概況

該橋為單跨40 m的單箱單室簡支鋼箱梁橋，梁高1.8 m，橋梁寬度為7.5 m；橫斷面布置：凈6.5 m+2×0.5 m，防撞護欄，雙向兩車道；橋臺為U 型橋臺+擴大基礎(chǔ)；支座為盆式橡膠支座。設(shè)計荷載標(biāo)準為：公路-I級。鋼箱梁橋總體布置圖見圖1。

為了測試某大跨簡支鋼箱梁橋的承載能力是否達到要求，驗證橋梁設(shè)計是否可靠和施工質(zhì)量是否達標(biāo)，在橋梁修建完成后例行荷載試驗。主要內(nèi)容：檢測正載及偏載兩種荷載工況下該橋主梁控制截面的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度值，將荷載試驗得到的實測值與有限元軟件建模計算的理論值進行對比分析。

2 靜載試驗

2.1 試驗方法

(1)撓度檢測：共設(shè)置5個撓度檢測截面。撓度檢測使用的儀器是分辨率為±0.01 mm的精密水準儀。

圖1 鋼箱梁橋總體布置圖

(2)應(yīng)力(應(yīng)變)檢測：共設(shè)置1個應(yīng)力(應(yīng)變)檢測截面。應(yīng)變檢測使用的儀器是分辨率為±1×10-6(1 με)的應(yīng)變片和靜態(tài)應(yīng)變儀，依照材料的彈性模量理論值計算測點的應(yīng)力值，應(yīng)變測點均設(shè)置在相應(yīng)檢測控制截面的表面上。

(3)裂縫觀測：裂縫觀測使用的儀器是分辨率為±0.02 mm的裂縫觀測儀。

2.2 應(yīng)力及撓度理論計算

使用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil 2019嚴格按照該橋的設(shè)計資料和設(shè)計規(guī)范進行有限元模型的建立(如圖2所示)，根據(jù)相關(guān)橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定，模擬橋梁實際運營荷載情況以及最不利荷載情況等因素進行計算。計算結(jié)果為：最大撓度計算值為42.33 mm，最大應(yīng)力計算值為66.5 MPa。

圖2 有限元計算模型圖

2.3 測點布置

2.3.1 靜力撓度測點

該橋在縱向共設(shè)置5個撓度檢測控制截面，測試儀器是分辨率為±0.01mm的精密水準儀，分別在各控制截面兩側(cè)的欄桿附近設(shè)置測點，該橋撓度測點設(shè)置見圖3。

2.3.2 靜力應(yīng)變測點

本橋共設(shè)置1個應(yīng)變(應(yīng)力)檢測截面J1，在箱梁下表面設(shè)置控制截面應(yīng)變測點。應(yīng)變檢測使用的儀器是分辨率為±1×10-6(1 με)的應(yīng)變片和靜態(tài)應(yīng)變儀，應(yīng)力通過實測應(yīng)變值經(jīng)過力學(xué)計算得來。應(yīng)變測點設(shè)置如圖4所示。

2.4 試驗荷載及加載位置

2.4.1 試驗荷載布置

偏載荷載工況下，加載車輛布置如圖5所示，正載荷載工況下，加載車輛布置如圖6所示，圖中尺寸單位為cm。

說明：“”標(biāo)記為水準撓度測試截面。

說明：圖中“”標(biāo)記為靜應(yīng)變測點，“x2”表示該部位布置應(yīng)變測點的數(shù)量為2，未標(biāo)注則僅設(shè)置1個應(yīng)變測點。

圖5 J1截面偏載時車輛布置圖

圖6 J1截面正載時車輛布置圖

2.4.2 加載車輛

試驗車輛選擇三軸車，圖7為試驗車輛示意圖，其中：a=3.85 m，b=1.35 m，輪距1.80 m。

圖7 試驗車輛示意圖

2.5 靜載試驗效率

運用載重三軸車來模擬靜力荷載，荷載試驗所需三軸車的重量與數(shù)量，根據(jù)最不利荷載等效值按式(1)計算：

(1)

式中：η為靜力試驗荷載效率；Sstate為靜載荷載作用下，計算效應(yīng)值；S為設(shè)計控制荷載作用下的最不利計算效應(yīng)值；μ為沖擊系數(shù)。對本橋進行的靜載試驗荷載效率計算結(jié)果見表1。

表1 靜載試驗荷載效率計算表

3 試驗結(jié)果

3.1 撓度測試結(jié)果

按照預(yù)先設(shè)計的實驗方案對該橋進行靜力加載試驗，撓度檢測使用的儀器是分辨率為±0.01 mm的精密水準儀。為直觀分析應(yīng)力測試結(jié)果，將基于有限元法的理論計算值與本實驗得到的實測值同時繪制。正載和偏載兩種工況下，測點撓度的試驗實測值和基于有限元法的理論計算值對比分別如圖8和圖9所示。

圖8 J1截面正載撓度測試結(jié)果

圖9 J1截面偏載撓度測試結(jié)果

3.2 應(yīng)力測試結(jié)果

為直觀分析應(yīng)力測試結(jié)果，將基于有限元法的理論計算值與荷載試驗實測值同時繪制。正載和偏載兩種工況下，測點應(yīng)力的試驗實測值和基于有限元法的理論計算值對比分別如圖10和圖11所示，圖中應(yīng)力符號規(guī)定：梁體混凝土受拉為正，受壓為負；設(shè)置多個測點的測試部位，取平均值。

圖10 J1截面正載應(yīng)力測試結(jié)果

圖11 J1截面偏載應(yīng)力測試結(jié)果

3.3 裂縫觀測結(jié)果

加載試驗前后，對測試截面附近主梁和鋪裝層進行裂縫觀測，應(yīng)力測試截面控制區(qū)域鋪裝層未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，由此可見，該橋的抗裂性設(shè)計達到相關(guān)規(guī)范要求。

3.4 試驗結(jié)果評定

3.4.1 結(jié)構(gòu)剛度評定

通過試驗荷載下結(jié)構(gòu)實測撓度與基于有限元法的理論計算值對比分析來評定結(jié)構(gòu)剛度，為了使試驗結(jié)果更直觀，將相應(yīng)試驗橋跨的主要撓度檢測結(jié)果匯總列于表2，其中最大彈性變形單位為mm。

表2 撓度測試結(jié)果匯總

由表2可知：試驗荷載加載后，各控制截面的實際撓度均比理論計算值小，撓度校驗系數(shù)處于較合理的范圍：0.73～0.94。該橋最大實測撓度增量為38.30 mm，約為跨徑的1/1 018。正載和偏載兩種工況卸載后，控制截面實測相對殘余變形最大為17.6%，小于規(guī)范值。圖8和圖9所示的橋跨結(jié)構(gòu)撓曲線走勢光滑連續(xù)，與基于有限元法的理論計算曲線具有較好的一致性，表明該橋橋跨結(jié)構(gòu)實際運營狀態(tài)良好。

3.4.2 結(jié)構(gòu)強度評定

通過試驗荷載下結(jié)構(gòu)實測應(yīng)力與基于有限元法的理論計算值對比分析來評定結(jié)構(gòu)強度，為了使試驗結(jié)果更直觀，將全橋應(yīng)力檢測截面的主要檢測結(jié)果匯總列于表3。

表3 應(yīng)力測試結(jié)果匯總

分析表3的實測應(yīng)力數(shù)據(jù)可知：該橋控制截面的實測應(yīng)力為0.24～0.98，與基于有限元法的理論計算值相比，在正常范圍之內(nèi)，因此該橋結(jié)構(gòu)強度達到要求。

4 結(jié)論

(1)各控制截面的實際撓度均比理論計算值小，撓度校驗系數(shù)處于較合理的范圍(0.73～0.94)。該橋最大實測撓度增量為38.30 mm，約為跨徑的1/1 018。正載和偏載兩種工況卸載后，控制截面實測相對殘余變形最大為17.6%，小于規(guī)范值。圖8和圖9所示的橋跨結(jié)構(gòu)撓曲線走勢光滑連續(xù)，與基于有限元法的理論計算曲線具有較好的一致性，表明該橋橋跨結(jié)構(gòu)實際運營狀態(tài)良好，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。

(2)該橋控制截面的實測應(yīng)力為0.24～0.98，與基于有限元法的理論計算值相比，在正常范圍之內(nèi)。各工況實測應(yīng)變曲線均位于理論應(yīng)變曲線下方，且變化趨勢基本一致，表明橋跨結(jié)構(gòu)強度與理論計算一致性較好，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

(3)該橋在98%荷載效率的靜力加載試驗過程中，未出現(xiàn)任何異常，實測該橋最大殘余應(yīng)變僅為10%，最大殘余變形僅為17.6%，表明在整個靜力荷載試驗過程中該橋一直處于彈性工作狀態(tài)。

(4)加載前后，箱梁測試截面附近區(qū)域內(nèi)，主梁及鋪裝層未發(fā)現(xiàn)新增的可見橫向裂縫。