靜載試驗(yàn)在石梁橋承載能力評(píng)估中的應(yīng)用研究

宋萬(wàn)平

（上海同豐工程咨詢(xún)有限公司，上海市 200444）

靜載試驗(yàn)在石梁橋承載能力評(píng)估中的應(yīng)用研究

宋萬(wàn)平

（上海同豐工程咨詢(xún)有限公司，上海市 200444）

橋梁靜載試驗(yàn)是測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變和撓度，它是了解橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)的最直接有效的方法。通過(guò)對(duì)花崗巖石梁橋的石材彎曲抗拉強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)方法，以及靜載試驗(yàn)在石梁橋檢測(cè)中的應(yīng)用，并將實(shí)測(cè)石梁的應(yīng)變和撓度與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，評(píng)估石梁橋的承載能力。

石梁橋；靜載試驗(yàn)；應(yīng)變；撓度；承載能力評(píng)估

1 概述

我國(guó)江南水鄉(xiāng)古鎮(zhèn)的“小橋、流水、人家”總是令游人流連忘返，而古鎮(zhèn)上能保留下來(lái)的“小橋”以石橋居多，我們走過(guò)這些石橋的時(shí)候是否想過(guò)這些石橋安全嗎？石橋分為石拱橋和石梁橋，石拱橋只要其基礎(chǔ)不發(fā)生變位（水平位移、豎向位移及拱腳轉(zhuǎn)動(dòng)）、主拱圈不變形，則石拱橋就能夠發(fā)揮其石材良好的抗壓性能，一般能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。與石拱橋不同，石梁橋則主要是利用其最不擅長(zhǎng)的抗拉性能，而石材的斷裂常常是脆性破壞，所以石梁橋的安全問(wèn)題令人較為擔(dān)憂(yōu)，而石梁橋的承載能力的評(píng)估甚至是橋梁專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)較為頭痛的問(wèn)題。若參考《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61-2005）中抗拉強(qiáng)度最高的MU120石材取值（其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值僅為2.18MPa）進(jìn)行石橋的抗拉強(qiáng)度理論計(jì)算，大部分石梁橋橋無(wú)法滿(mǎn)足自重作用下的承載要求，但江南古鎮(zhèn)花崗巖石梁橋正常服役已多年，尚未見(jiàn)有影響橋梁承載能力的缺陷或病害，可見(jiàn)這些石梁橋石材實(shí)際抗拉強(qiáng)度較規(guī)范明顯要高。如要了解石梁橋的實(shí)際承載能力，首先應(yīng)確定其石材的實(shí)際彎曲抗拉強(qiáng)度。本文通過(guò)對(duì)石梁橋石材進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)而測(cè)得石材的實(shí)際彎曲抗拉強(qiáng)度及彈性模量，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)對(duì)石梁橋的實(shí)際承載能力進(jìn)行了測(cè)試，評(píng)估石梁橋的承載能力。

2 石梁橋石材彎曲抗拉強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)測(cè)定

2.1 試驗(yàn)依據(jù)

本次試驗(yàn)參考《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E41-2005）抗折強(qiáng)度試驗(yàn)（T0226-1994）測(cè)得石板梁標(biāo)準(zhǔn)試件的極限彎曲抗拉強(qiáng)度和彈性模量。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（1975年）（注：以下統(tǒng)稱(chēng)為75規(guī)范）條文說(shuō)明可知，石材容許應(yīng)力為石材強(qiáng)度除以安全系數(shù)，本次石材強(qiáng)度采用試驗(yàn)中測(cè)得的試件極限彎曲抗拉強(qiáng)度，根據(jù)“75規(guī)范”規(guī)定石材彎曲抗拉容許應(yīng)力的安全系數(shù)采用3.0，從而推算出石板梁石材的彎曲抗拉容許應(yīng)力值。

2.2 試驗(yàn)的基本假定

由于石梁橋主梁石材的組織構(gòu)造及其物理性質(zhì)十分復(fù)雜，為了抽象成理想的模型，對(duì)主梁石材作出下列基本假設(shè)[1]：

（1）連續(xù)性假設(shè)：假設(shè)主梁石材內(nèi)部充滿(mǎn)了物質(zhì)，沒(méi)有任何空隙。主梁石材內(nèi)存在著微小空隙，但這些空隙的大小比主梁石材的尺寸小得多，可不考慮空隙的存在，認(rèn)為主梁石材是連續(xù)的。

（2）均勻性假設(shè)：假設(shè)主梁石材內(nèi)各處的力學(xué)性質(zhì)是完全相同的。花崗巖一般由長(zhǎng)石和石英組成，攙雜少量的云母和微量礦物質(zhì)，它們的性質(zhì)各不相同，但由于組成主梁石材的物質(zhì)大小和主梁石材的尺寸相比很小，而且是隨機(jī)排列的，因此，可以將主梁石材的性質(zhì)看作各組成部分物質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均量，認(rèn)為主梁石材是均勻的。

（3）各向同性假設(shè)：假設(shè)材料在各個(gè)方向的力學(xué)性質(zhì)均相同。

2.3 試驗(yàn)方法和過(guò)程

為了解石梁橋主梁石材的彎曲抗拉強(qiáng)度性質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)在石梁橋支點(diǎn)后部受力較小的部位鉆取芯樣并進(jìn)行試驗(yàn)，每組3個(gè)芯樣，共計(jì)6個(gè)芯樣（見(jiàn)圖1），第一組芯樣編號(hào)為1-1#～1-3#，第二組芯樣編號(hào)為2-1#～2-3#。取芯完成后對(duì)芯樣孔進(jìn)行了修復(fù)。

圖1 石梁橋主梁石材芯樣實(shí)景照

根據(jù)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE41-2005）將各芯樣加工成棱柱體試件（試件長(zhǎng)L= 160mm，寬B=40mm，高H=20mm），通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得石板梁的極限彎曲抗拉強(qiáng)度。

將石材試件置于固定的兩個(gè)支點(diǎn)上，然后在其頂緣中點(diǎn)施加集中荷載，分級(jí)加載，直至試件底緣受拉斷裂，記錄此時(shí)的破壞荷載P，通過(guò)彈性力學(xué)方法求得試件底緣的極限彎曲抗拉強(qiáng)度。其計(jì)算公式為：

式中：Rb為石材極限彎曲抗拉強(qiáng)度（MPa）；P為破壞荷載（N）；L為支點(diǎn)跨距（mm），采用140mm；b為試件斷面寬度（mm）；h為試件斷面高度（mm）。

試驗(yàn)前在每個(gè)石材試件跨中截面底緣粘貼3個(gè)應(yīng)變片，根據(jù)試驗(yàn)中每級(jí)加載測(cè)得各試件跨中底緣的應(yīng)變，可推算出各試件的彈性模量。石材彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)裝置示意見(jiàn)圖2，試驗(yàn)實(shí)景照見(jiàn)圖3。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中對(duì)各試件分級(jí)加載，并在加載過(guò)程中記錄每級(jí)荷載大小和荷載作用下試件跨中截面底緣應(yīng)變，按照式（1）計(jì)算得出各級(jí)荷載作用下試件跨中底緣應(yīng)力，從而繪制試件跨中截面底緣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（見(jiàn)圖4和圖5）。試件跨中截面底緣受拉斷裂時(shí)荷載即為破壞荷載，其對(duì)應(yīng)的試件跨中底緣應(yīng)力即為石材的極限彎曲抗拉強(qiáng)度。

圖2 石材彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)裝置示意圖（單位：mm）

圖3 石材彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)景照

分析各試件跨中截面底緣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可知，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分為三個(gè)階段：（1）彈性階段：試驗(yàn)加載初期應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近直線；（2）彈塑性階段：當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到一定數(shù)值后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨著應(yīng)力的增大而逐漸偏離直線，任意一點(diǎn)的應(yīng)變可分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分；（3）破壞階段：直至加載到試件破壞，得到石材極限彎曲抗拉強(qiáng)度。本次選取應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中的直線部分（彈性階段）計(jì)算其彈性模量。

根據(jù)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE41-2005）規(guī)定，本次試驗(yàn)取兩組試件（共6個(gè)），以3個(gè)試件的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如單個(gè)值與平均值之差大于25%，則予以剔除，再計(jì)算其平均值。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

圖4 第一組試件跨中截面底緣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5 第二組試件跨中截面底緣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

表1 石材極限彎曲抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表2 石材彈性模量測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)石材極限彎曲抗拉強(qiáng)度偏安全考慮采用兩組試件測(cè)試結(jié)果的較小值，由表1可知石材極限彎曲抗拉強(qiáng)度為11.1MPa，根據(jù)“75規(guī)范”規(guī)定安全系數(shù)為3.0，從而推算出石材的彎曲抗拉容許應(yīng)力為3.70MPa；由于各試件彈性模量測(cè)試結(jié)果有一定的離散性，故本次彈性模量取兩組試件的平均值，由表2可知石材彈性模量為20000MPa。

2.5 試驗(yàn)結(jié)論

本次試驗(yàn)對(duì)兩座石梁石材進(jìn)行極限彎曲抗拉強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試，得出石材極限彎曲抗拉強(qiáng)度為11.1MPa，彎曲抗拉容許應(yīng)力為3.70MPa，彈性模量為20000MPa。其他石梁橋可以根據(jù)類(lèi)似方法測(cè)試石材的彎曲抗拉容許應(yīng)力和彈性模量。

3 石梁橋現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下橋梁工作狀態(tài)與運(yùn)營(yíng)性能的有效手段。通過(guò)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜荷載加載，測(cè)量試驗(yàn)荷載作用下主梁控制截面的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度等指標(biāo)是否滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.1 工程概況

某花崗巖石梁橋?yàn)橐蛔绾?jiǎn)支板梁橋，跨徑組合為4.0m+6.0m+4.0m，橋面總寬為1.72m。該橋上部結(jié)構(gòu)每跨均由3榀梁組成，兩邊梁為石板梁，中梁為鋼筋混凝土T梁。本次針對(duì)上部結(jié)構(gòu)較寬的石梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。

3.2 測(cè)試斷面和測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)受力特性，本次試驗(yàn)測(cè)試該石梁橋?qū)挾容^寬的石板梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，上部結(jié)構(gòu)石梁跨中斷面應(yīng)變和撓度，測(cè)試斷面和測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 某花崗巖石梁橋上部結(jié)構(gòu)石梁測(cè)試斷面示意圖（單位：mm）

圖7 某花崗巖石梁橋上部結(jié)構(gòu)石梁測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）

3.3 加載載位及試驗(yàn)效率

靜載試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)該橋在接近設(shè)計(jì)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(chēng)基本荷載試驗(yàn)，一般要求試驗(yàn)荷載在結(jié)構(gòu)主要控制截面上所產(chǎn)生的效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載所產(chǎn)生的相應(yīng)效應(yīng)接近，其接近的程度是采用試驗(yàn)荷載效率系數(shù)ηq表示，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]應(yīng)滿(mǎn)足0.95～1.05。

該橋無(wú)設(shè)計(jì)與竣工資料可參考，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人群荷載集度調(diào)查情況，確定該橋目標(biāo)荷載為2.0kN/m2。本次試驗(yàn)采用人群荷載2.0kN/m2作為期望荷載，并分級(jí)加載控制，其靜載試驗(yàn)效率見(jiàn)表3。靜載試驗(yàn)采用重物分級(jí)加載，重物加載位置見(jiàn)圖8。

表3 靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

圖8 跨中最大正彎矩?cái)嗝婕虞d位置示意圖（單位：mm）

由表3可知，本次靜載試驗(yàn)效率系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的0.95～1.05的要求。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

橋梁靜載試驗(yàn)中常用結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余變形（應(yīng)變）等評(píng)判橋梁的承載能力和工作狀態(tài)[2]。

根據(jù)石材彎曲抗拉強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)測(cè)得成果，采用 MIDAS/Civil軟件建立有限元計(jì)算模型。通過(guò)理論計(jì)算可得該橋在試驗(yàn)荷載作用下石梁跨中測(cè)點(diǎn)效應(yīng)的理論值，將試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與理論值比較可得各測(cè)點(diǎn)效應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)。

試驗(yàn)荷載下主梁跨中測(cè)試斷面結(jié)果見(jiàn)表4～表7。

表4 石梁跨中截面梁底應(yīng)力及校驗(yàn)系數(shù)

表5 石梁跨中截面撓度及校驗(yàn)系數(shù)

表6 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力相對(duì)殘余變形

表7 測(cè)點(diǎn)撓度相對(duì)殘余變形

從表4～表7可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）靜載試驗(yàn)中橋梁結(jié)構(gòu)各應(yīng)力及撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，說(shuō)明石梁滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，有一定的安全儲(chǔ)備。

（2）靜載試驗(yàn)中橋梁結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形（應(yīng)力）均小于20%，表明石梁在試驗(yàn)荷載下基本處于彈性工作狀態(tài)。

（3）試驗(yàn)荷載推算至人群荷載2.0kN/m2作用下石梁跨中實(shí)測(cè)撓度遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值，表明石梁豎向剛度良好。

綜上所述，在正常使用極限狀態(tài)下，石梁橋上部結(jié)構(gòu)石梁能夠滿(mǎn)足人群荷載2.0kN/m2的正常使用要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)也得到長(zhǎng)足發(fā)展，橋梁安全也受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，我們重點(diǎn)關(guān)注大橋、特大橋及特殊結(jié)構(gòu)的橋梁安全的同時(shí)，旅游景區(qū)的石梁橋的安全也不可忽視，畢竟景區(qū)內(nèi)人流集中，且石梁橋石材抗拉性能偏弱。通過(guò)對(duì)石梁橋石材抗拉性能的研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，準(zhǔn)確評(píng)估石梁橋的承載能力，為橋梁管養(yǎng)部門(mén)提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

[1]徐道遠(yuǎn),黃孟生,朱為玄,等.材料力學(xué)[M].江蘇南京：河海大學(xué)出版社,2004.

[2]JTG/TJ21-2011,公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].

U446

：B

：1009-7716（2017）02-0076-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.023

2016-12-06

宋萬(wàn)平（1981-），男，安徽利辛人，工程師，從事橋梁檢測(cè)和承載力評(píng)估工作。