肖慧媛

（吉安市路橋工程局,江西 吉安 343000）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)是在橋梁結(jié)構(gòu)指定位置施加靜荷載，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、撓度等的測試，以了解橋梁結(jié)構(gòu)承載能力及實(shí)際工作狀態(tài)，掌握理論上無法計(jì)算部位的受力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)一般性檢測中難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽性病害，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載力做出直接、準(zhǔn)確的判斷。靜載試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到試驗(yàn)過程的可操作性及結(jié)果的準(zhǔn)確性，該文以具體工程為例，對(duì)高速公路箱梁靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過程的展開進(jìn)行了深入探討，可作為該試驗(yàn)方案工程應(yīng)用的借鑒參考。

1 工程概況

某新建高速公路按照公路-Ⅰ級(jí)荷載設(shè)計(jì)，樁號(hào)K40+023～K40+500段橋梁上部為150+2×140+130 m的預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，該箱梁為先簡后支連續(xù)結(jié)構(gòu)，箱梁高2.2 m，橫向設(shè)置4片主梁；下部為U型橋臺(tái)，其中0#臺(tái)為樁基礎(chǔ)，4#臺(tái)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，框架式橋墩。全橋?yàn)樗穆?lián)，每聯(lián)4孔。為進(jìn)行該橋梁施工質(zhì)量檢測，驗(yàn)證橋梁空間分析模型及鋼材、混凝土參數(shù)取值是否與竣工后實(shí)際狀況吻合，必須展開靜力荷載試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)?zāi)康募胺桨?/h2>

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在施工現(xiàn)場以順橋向右幅邊跨、次邊跨為試驗(yàn)對(duì)象，以邊跨跨中A截面、次邊跨跨中B截面、支點(diǎn)處C截面為測試截面，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）并結(jié)合測試截面受力特點(diǎn)沿截面高度布置應(yīng)變測點(diǎn)和撓度測點(diǎn)，主要展開該高速公路箱梁應(yīng)變測試和撓度測試，以進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)及使用性能評(píng)價(jià)[1]。

2.2 加載原則

在最不利截面彎矩下，以車輛為加載設(shè)備。該試驗(yàn)采用6輛單車點(diǎn)平均重量為300 kN的斯太爾載荷車進(jìn)行加載，依次編號(hào)為1#～6#試驗(yàn)車，車輛尺寸具體見圖1。其中1#試驗(yàn)車前后軸重6.2 t和2×19.4 t，總重45 t；2#、3#試驗(yàn)車前后軸重5.1 t和2×16.3 t，總重37.7 t；4#試驗(yàn)車前后軸重7.9 t和2×15.9 t，總重39.7 t；5#、6#試驗(yàn)車前后軸重4.3 t和2×15.9 t，總重36.1 t。

圖1 加載車輛尺寸（單位：cm）

為進(jìn)行高速公路箱梁結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，靜載試驗(yàn)內(nèi)力效應(yīng)和設(shè)計(jì)荷載內(nèi)力效應(yīng)之比即靜載試驗(yàn)效率取值必須在0.8～1.05之間。

式中，ηq——靜載試驗(yàn)效率；Sj——試驗(yàn)荷載下位移與內(nèi)力比；Ss——設(shè)計(jì)荷載下位移內(nèi)力比；μ——沖擊系數(shù)。

2.3 加載方案

為保證靜載試驗(yàn)順利進(jìn)行，避免出現(xiàn)意外破壞，必須遵守嚴(yán)格的加載程序分級(jí)遞加和遞減。正式加載前必須進(jìn)行預(yù)加載，以確定和檢驗(yàn)加載試驗(yàn)參數(shù)。靜載試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間原則上取決于橋梁結(jié)構(gòu)變形并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間，必須等結(jié)構(gòu)變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)再讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)入下一載荷試驗(yàn)階段。對(duì)于同一級(jí)試驗(yàn)荷載而言，如果變形最大的測點(diǎn)在最后5 min內(nèi)實(shí)際變形量比前一個(gè)5 min實(shí)際變形量小15%以上，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)變形已趨于穩(wěn)定[2]。靜載試驗(yàn)過程在4種工況下分三級(jí)加載，具體安排見表1。

表1 靜載試驗(yàn)工況及加載分級(jí)

2.4 測點(diǎn)布置

進(jìn)行該箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測試時(shí)，將弓形應(yīng)變計(jì)分別安裝在跨中板底、支點(diǎn)板底及板頂，進(jìn)行靜力荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測試。撓度測試時(shí)，將電測位移計(jì)安裝在跨中及支點(diǎn)斷面，進(jìn)行不同荷載作用下?lián)隙葴y量，應(yīng)力應(yīng)變及撓度測試數(shù)據(jù)均通過分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并記錄。

應(yīng)力應(yīng)變測試截面包括A、B、C三個(gè)截面，其中A、B截面應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)均設(shè)置在梁底，C截面應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)則設(shè)置在腹板外側(cè)，共5個(gè)。撓度測試僅針對(duì)A截面和B截面展開，測點(diǎn)設(shè)置在截面處箱梁位置，同時(shí)在0#臺(tái)、1#墩和2#墩處分別設(shè)置2個(gè)支點(diǎn)沉降測點(diǎn)。

根據(jù)各控制截面內(nèi)力影響線進(jìn)行加載車布載，并通過加載車的移動(dòng)使各測試截面荷載達(dá)到目標(biāo)水平，并使各截面力矩實(shí)測值和標(biāo)準(zhǔn)貨載作用下力矩設(shè)計(jì)值之比符合《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）中靜載試驗(yàn)荷載效率要求。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)過程中邊跨、次邊跨及支點(diǎn)截面均分三級(jí)加載布置荷載，各截面分級(jí)加載表詳見表2。靜載試驗(yàn)具體加載位置通過MIDAS/Civil 2010結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算，按照公路-Ⅰ級(jí)確定設(shè)計(jì)荷載，同時(shí)結(jié)合該高速公路箱梁運(yùn)行實(shí)際考慮折減系數(shù)。根據(jù)彎矩等效選擇，必須將靜載試驗(yàn)荷載效率控制在0.93～1.03之間。該靜載試驗(yàn)荷載效率取值表明，試驗(yàn)荷載所產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)能反映設(shè)計(jì)荷載力學(xué)效應(yīng)[3]。

表2 各截面分級(jí)加載表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

以邊跨跨中A截面為例，進(jìn)行該高速公路箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變及撓度結(jié)果分析。

3.2.1 應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

A截面各測點(diǎn)在中載分級(jí)加載下應(yīng)變實(shí)測結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)見表3，應(yīng)變?cè)囼?yàn)校驗(yàn)系數(shù)是某測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值和理論應(yīng)變值之比。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁而言，當(dāng)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)取值在1.0以下時(shí)，表明橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的工作性能。由表中測試結(jié)果可知，A截面測點(diǎn)中校驗(yàn)系數(shù)最大取0.50，滿足規(guī)程要求；截面測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測值橫向分布趨勢(shì)與理論值橫向分布趨勢(shì)整體一致，表明該截面強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

表3 A截面中載分級(jí)加載應(yīng)變測試結(jié)果

A截面各測點(diǎn)在偏載分級(jí)加載下應(yīng)變實(shí)測結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)見表4，根據(jù)表中測試結(jié)果，各測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均不超出1.0，滿足要求；各測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測值橫向分布取值和理論值橫向分布趨勢(shì)基本吻合，表明該截面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)且工作性能良好。

表4 A截面偏載分級(jí)加載應(yīng)變測試結(jié)果

A截面中載情況下A-2測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變值最大，三級(jí)荷載時(shí)達(dá)到66.1 με，其與理論應(yīng)變值的線性關(guān)系可以表示為：y=0.510 6x-1.889 0，R2=0.999 5，該測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值和理論應(yīng)變值線性關(guān)系良好。A截面偏載情況下A-1測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值最大，三級(jí)荷載下取值為64.5 με，其與理論應(yīng)變值的線性關(guān)系表示為：y=0.346 8x-11.04，R2=0.999 5，實(shí)測應(yīng)變值和理論應(yīng)變值仍有較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的平方達(dá)到0.999 5。

高速公路箱梁的工作狀態(tài)還可通過相對(duì)殘余應(yīng)變指標(biāo)予以體現(xiàn)，相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)闅堄鄳?yīng)變實(shí)測值和最大應(yīng)變實(shí)測值之比，該比值越小，則橋梁結(jié)構(gòu)彈性工作性能越好。通常要求該比值不超出0.2。A截面中載情況下，4 個(gè)測點(diǎn)殘余應(yīng)變實(shí)測值分別為 0.5 με、0.3 με、-7.8 με、-2.4 με，最大應(yīng)變值分別為 26.4 με、65.8 με、59.7 με、23.7 με，相對(duì)殘余值依次為 0.02、0.01、-0.13、-0.1，均滿足規(guī)范要求。A截面偏載情況下，4個(gè)測點(diǎn)殘余應(yīng)變實(shí)測值分別為 -0.2 με、3.5 με、-1.8 με、-2.1 με，最大應(yīng)變分別為 64.5 με、56.7 με、39.4 με、28.2 με，相對(duì)殘余值依次為 0、0.06 με、-0.05 με、-0.07 με，符合規(guī)范。

3.2.2 撓度試驗(yàn)結(jié)果

A截面各測點(diǎn)在中載分級(jí)加載下?lián)隙葘?shí)測結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)見表5，變形校驗(yàn)系數(shù)是某測點(diǎn)實(shí)測撓度值和理論撓度值之比。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁而言，當(dāng)變形校驗(yàn)系數(shù)取值≤1.0時(shí)，表明橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的工作性能。由表中測試結(jié)果可知，A截面測點(diǎn)中變形校驗(yàn)系數(shù)最大取0.50，滿足規(guī)程要求；截面測點(diǎn)撓度實(shí)測值橫向分布趨勢(shì)與理論值橫向分布趨勢(shì)整體一致，表明該截面剛度符合設(shè)計(jì)要求，處于彈性工作狀態(tài)。

表5 A截面中載分級(jí)加載撓度測試結(jié)果

A截面各測點(diǎn)在偏載分級(jí)加載下?lián)隙葘?shí)測結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)見表6，根據(jù)表中測試結(jié)果，各測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)位于0.34～0.46之間，滿足要求；各測點(diǎn)撓度實(shí)測值橫向分布取值和理論值橫向分布趨勢(shì)基本吻合，表明該截面剛度滿足設(shè)計(jì)且工作性能良好。

表6 A截面偏載分級(jí)加載撓度測試結(jié)果

實(shí)測殘余撓度和最大撓度之比越小，表明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀態(tài)。A截面中載分級(jí)加載時(shí)僅A-3測點(diǎn)相對(duì)殘余撓度為0.14，其與測點(diǎn)相對(duì)殘余撓度值均更??；A截面偏載分級(jí)加載時(shí)各測點(diǎn)相對(duì)殘余撓度值均小于0.2，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

綜上所述，該高速公路箱梁靜載試驗(yàn)效率取值在0.93～1.03之間，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理可靠，且試驗(yàn)荷載對(duì)應(yīng)的力學(xué)效應(yīng)完全能體現(xiàn)設(shè)計(jì)荷載的力學(xué)效應(yīng)。靜載試驗(yàn)所得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變及撓度值均滿足規(guī)范要求，且彎矩-應(yīng)力和彎矩-應(yīng)變呈較好的線性關(guān)系，說明該箱梁抗彎強(qiáng)度和剛度均滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，性能良好。A截面應(yīng)變和撓度相對(duì)殘余最大值分別為-0.13和0.14，均滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）中不超出0.2的要求。