晏晟堃 廖瑋琪 李 勝 陳 韜

（1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410008；3.岳陽(yáng)市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414004）

0 引言

截至2023 年6 月，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量已達(dá)到4.26 億輛，未來(lái)10 年內(nèi)我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量仍將持續(xù)、大幅增長(zhǎng)，道路交通安全面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。橋梁作為交通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，要承擔(dān)與日俱增的交通流量壓力，同時(shí)還要承受違法超載車(chē)輛帶來(lái)的損害。我國(guó)相當(dāng)一部分橋梁尚未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就出現(xiàn)較多的損害，橋梁總體的技術(shù)狀況不容樂(lè)觀，危橋數(shù)量多年居高不下。特別是近年來(lái)橋梁事故頻發(fā)，橋梁技術(shù)狀況已成為社會(huì)關(guān)心的熱點(diǎn)［1］，橋梁靜載試驗(yàn)作為橋梁檢測(cè)的主要手段便顯得尤為重要。橋梁靜載試驗(yàn)是指按照預(yù)先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，將靜止的等效荷載作用施加在橋梁的某些特定位置上，通過(guò)專(zhuān)業(yè)工具、專(zhuān)業(yè)手段測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在此靜力作用下發(fā)生的應(yīng)變、位移、沉降、裂縫等一系列相關(guān)數(shù)據(jù)，在分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的真實(shí)工作狀態(tài)，檢驗(yàn)橋梁的承載能力是否滿(mǎn)足正常使用的要求、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、施工質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并由此判斷橋梁的安全可靠性，為交（竣）工驗(yàn)收提供科學(xué)依據(jù)［2］。

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)榭缭綔ヨF路及湘潭東站東牽引線、聯(lián)絡(luò)線及軍用專(zhuān)線的大型橋梁。該橋全長(zhǎng)769.7 m，橋跨布置為6×35 m 裝配式連續(xù)箱梁+（42+70+42）m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁箱梁+［（3×35+27.85）+（27.85+4×35）+3×35］m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主橋采用三跨變高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，主橋跨布置為（42+70+42）m，即長(zhǎng)152 m。橋面寬度為2×［4.5 m（人行道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+12 m（行車(chē)道）+2.0 m/2（中央分隔帶）］=36 m。主橋上部結(jié)構(gòu)為（42+70+42）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用單箱雙室截面形式箱梁根部高度4.30 m，跨中梁高2.30 m，主梁高度自跨中至根部按2 次拋物線變化，梁高方程見(jiàn)式（1）。

式中：h為梁高；x為自跨中至根部的距離。箱梁頂板寬17.50 m，底板寬10.50 m；頂板厚0.28 m，底板厚度變化采用2 次拋物線，由根部厚度0.60 m漸變到跨中0.28 m；腹板厚度0#采用0.65 m，1～4#梁段采用0.65 m，5#為過(guò)渡段，6～8#梁段采用0.45 m；橋墩支點(diǎn)范圍內(nèi)箱梁頂板厚0.28 m，底板厚0.60 m，腹板厚0.65 m。全橋采用左右分離式兩幅，主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)荷載計(jì)算

橋梁靜載試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行必要的與試驗(yàn)有關(guān)的計(jì)算，所有相關(guān)計(jì)算結(jié)果均是判斷試驗(yàn)荷載大小、加載等級(jí)的理論依據(jù)，同時(shí)也作為試驗(yàn)加載相應(yīng)的期望值［3］。試驗(yàn)控制荷載根據(jù)與設(shè)計(jì)荷載等級(jí)相應(yīng)的活載效應(yīng)控制值確定，以使控制截面產(chǎn)生最不利荷載效應(yīng)（內(nèi)力和變形最大）荷載作為試驗(yàn)控制荷載。

試驗(yàn)控制荷載的計(jì)算根據(jù)橋梁基本參數(shù)和設(shè)計(jì)圖紙來(lái)確定，按照相關(guān)規(guī)范，利用Midas Civil 有限元程序建立該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的空間有限元模型?；谠撚邢拊Ｐ瓦M(jìn)行分析，計(jì)算主橋試驗(yàn)梁段的內(nèi)力與變形，如圖1所示。

圖1 有限元建模分析圖

2.2 加荷車(chē)輛技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果和橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，按照荷載等效的原則布置車(chē)輛荷載，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際車(chē)輛情況，選取8 輛單車(chē)試驗(yàn)最大荷載為550 kN 的三軸載重汽車(chē)作為加載車(chē)輛。該車(chē)輛的載重參數(shù)和軸距參數(shù)分別見(jiàn)表1、表2。

表1 荷載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)加載車(chē)輛軸重參數(shù)單位：kN

表2 荷載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)加載車(chē)輛軸距參數(shù)單位：m

2.3 荷載布置

靜力試驗(yàn)荷載可按控制內(nèi)力、應(yīng)力或變位等效原則確定。為了鑒定橋梁承載能力，試驗(yàn)荷載工況的選擇應(yīng)依據(jù)反映橋梁結(jié)構(gòu)最不利受力狀態(tài)的原則來(lái)進(jìn)行［4］。依據(jù)設(shè)計(jì)資料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主橋靜載試驗(yàn)荷載各工況平面布置如圖2所示。

圖2 主橋靜載試驗(yàn)各工況荷載布置平面圖（單位：m）

2.4 撓度測(cè)試

主橋撓度測(cè)量采用水準(zhǔn)儀測(cè)量，為保證主橋撓度測(cè)量精度，測(cè)點(diǎn)按照5 m一個(gè)布置，墩頂每側(cè)一個(gè)點(diǎn)，主橋全長(zhǎng)154 m，共布置34×2=68個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分別位于箱梁翼緣板處，具體位置如圖3所示。

圖3 橋面變形測(cè)點(diǎn)布置示意（單位：m）

2.5 應(yīng)變測(cè)試

主橋連續(xù)梁橋應(yīng)變采用振弦檢測(cè)儀與振弦應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)量，振弦應(yīng)變計(jì)在主橋施工過(guò)程中已埋置于混凝土中。主橋應(yīng)變測(cè)試截面布置如圖4 所示，大橋的試驗(yàn)幅應(yīng)力測(cè)試斷面為5 個(gè)，驗(yàn)證幅應(yīng)力測(cè)試斷面為3 個(gè)，C1、C1'斷面布置如圖5 所示的5 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，其余斷面布置如圖5 所示的3 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖4 主橋應(yīng)變測(cè)試截面布置（單位：cm）

圖5 測(cè)點(diǎn)示意圖

2.6 試驗(yàn)程序

本次試驗(yàn)對(duì)大橋主橋各測(cè)試截面分別進(jìn)行了對(duì)稱(chēng)加載、偏心加載測(cè)試。正式加載試驗(yàn)前，先用兩輛試驗(yàn)重車(chē)分別對(duì)加載幅橋梁進(jìn)行預(yù)加載，使結(jié)構(gòu)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，同時(shí)檢查整個(gè)試驗(yàn)、測(cè)試系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。

正式加載時(shí)，首先進(jìn)行靜載初讀數(shù)，從靜載初讀數(shù)開(kāi)始整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作，測(cè)量、讀數(shù)，記錄人員進(jìn)入狀態(tài)各司其職；隨后加載車(chē)輛按分級(jí)加載要求上橋，行車(chē)速度不大于5 km/h，為了避免結(jié)構(gòu)意外損傷并準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載與變位的相關(guān)曲線，對(duì)控制截面試驗(yàn)荷載分成2 級(jí)加載（50%、100%）和1 次卸載。在每一加載試驗(yàn)工況中，加載方式為單次逐級(jí)遞加到最大荷載，然后1 次卸載到零荷載，并隨時(shí)觀測(cè)每級(jí)荷載作用下各控制參數(shù)的變化。

加載、卸載時(shí)，每個(gè)工況均要求穩(wěn)定讀數(shù)和回零讀數(shù)，加卸載讀數(shù)均以撓度值控制，每次加載和卸載的持續(xù)時(shí)間主要取決于結(jié)構(gòu)變位達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所需的時(shí)間［5］。如果殘余變形值與總變形值之比小于試驗(yàn)規(guī)范的規(guī)定的允許值，則表明滿(mǎn)足要求，加載試驗(yàn)結(jié)束；否則應(yīng)重復(fù)以上步驟進(jìn)行第二次加載試驗(yàn)。加載過(guò)程中，對(duì)橋梁主要部位進(jìn)行實(shí)時(shí)裂縫監(jiān)測(cè)，待加載完畢后，全面檢查全橋的裂縫情況［1］。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.1 撓度測(cè)試結(jié)果

按試驗(yàn)工況加載時(shí)，所有偏心加載均為靠近中央分隔帶一側(cè)，部分測(cè)點(diǎn)因遠(yuǎn)離加載區(qū)域而撓度較小，在選擇撓度測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，篩選各加載工況中變形相對(duì)較大處的測(cè)點(diǎn)撓度檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)數(shù)據(jù)整理，在各加載工況下主橋的豎向撓度測(cè)試結(jié)果及分析如圖6所示。

圖6 各工況主橋豎向撓度測(cè)試結(jié)果

3.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

利用計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，事先設(shè)定靈敏度系數(shù)等修正參數(shù)，直接得到修正后的應(yīng)變值。主橋箱梁截面在靜載試驗(yàn)各工況下通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得應(yīng)變結(jié)果如圖7所示。

圖7 各工況主橋應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

3.3 裂縫觀測(cè)

經(jīng)全面仔細(xì)檢查，該橋主橋在靜載試驗(yàn)過(guò)程中及卸載之后，均未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫。

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

靜載試驗(yàn)效率按式（2）計(jì)算，宜介于0.95～1.05之間。

式中：SS為靜力試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值；S'為檢算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值；ηq為靜力試驗(yàn)荷載效率［6］。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)加載車(chē)輛的技術(shù)參數(shù)及圖1 所示的計(jì)算結(jié)果，按照最不利荷載作用的內(nèi)力等效原則，得到試驗(yàn)效率見(jiàn)表3。

表3 靜載試驗(yàn)效率

主橋靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析如下：①主橋連續(xù)梁橋荷載試驗(yàn)的試驗(yàn)效率在0.95～1.02之間，在0.95～1.05 范圍內(nèi)，其試驗(yàn)結(jié)果能夠反映結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的技術(shù)狀態(tài)；②在試驗(yàn)荷載作用下，各工況下橋面縱向撓度的主要實(shí)測(cè)撓度值均小于相應(yīng)的理論撓度值，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.33～0.98，相對(duì)殘余變形很小，試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）中試驗(yàn)結(jié)構(gòu)檢校系數(shù)ξ＜1 的要求和對(duì)殘余撓度值的要求；③各工況荷載下對(duì)應(yīng)截面主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.25～0.94，在《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）試驗(yàn)結(jié)構(gòu)檢校系數(shù)的容許范圍內(nèi)，各主要測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變小于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）中±20%的限值；④靜載試驗(yàn)結(jié)果分析表明，測(cè)試橋跨的強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，靜載試驗(yàn)是預(yù)應(yīng)力箱梁橋橋梁檢測(cè)的重要檢測(cè)環(huán)節(jié)，本研究通過(guò)某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋橋梁靜載試驗(yàn)工程實(shí)例，基于有限元理論對(duì)橋梁整體進(jìn)行建模分析，針對(duì)各工況制訂相應(yīng)試驗(yàn)方案；將有限元模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，在各工況下，有限元模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果吻合，符合規(guī)范要求。由此可見(jiàn)，面對(duì)與日俱增的交通流量壓力，基于有限元分析的靜載試驗(yàn)在橋梁檢測(cè)中的良好應(yīng)用效果得到了驗(yàn)證，為既有橋梁工程的健康監(jiān)測(cè)和管養(yǎng)維護(hù)提供支持，為橋梁的安全評(píng)定提供依據(jù)。