預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的靜載檢測分析

張 鵬

(安徽省路橋試驗(yàn)檢測有限公司，安徽合肥 230000)

0 引言

橋梁是道路交通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其承載能力和通行能力是控制道路全線的關(guān)鍵。然而，橋梁長期處于露天的環(huán)境中，受到自然因素如風(fēng)載、波浪等荷載作用，橋梁的結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生如裂縫、開裂等病害。

為確保橋梁的安全可靠，就需要全面評估橋梁實(shí)際使用中的工作狀態(tài)，而荷載試驗(yàn)可以有效檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)整體的施工質(zhì)量與受力性能，對橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用性能、強(qiáng)度、剛度、裂縫等各項(xiàng)指標(biāo)做出全面的評價(jià)，并對橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力做出準(zhǔn)確的評估，掌握橋梁的運(yùn)行狀況和所處狀態(tài)，推斷其承載能力，從而綜合、正確的評定橋梁的實(shí)際狀況。

對于公路及市政橋梁使用較多的預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁，姜源等［1］、馬云鋒等［2］對試驗(yàn)的具體實(shí)施過程及評定方法進(jìn)行了研究，但其均為預(yù)應(yīng)力混凝土單梁，李延存［3］對斜拉橋的靜載試驗(yàn)方法進(jìn)行了相關(guān)研究，吳帆［4］對高性能混凝土橋梁進(jìn)行了靜載試驗(yàn)分析。本文在上述研究基礎(chǔ)上開展了太原市某高架橋主線橋應(yīng)變、撓度等靜態(tài)檢測試驗(yàn)，并計(jì)算了試驗(yàn)效率系數(shù)、荷載效應(yīng)校驗(yàn)系數(shù)、結(jié)構(gòu)相對殘余變形及結(jié)構(gòu)剛度等，全面評估了高架橋的受力性能。

1 工程概況

太原市某高架橋主線橋共計(jì)13聯(lián)41跨，橋長1 221.5 m，上部結(jié)構(gòu)第2聯(lián)、第9聯(lián)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、第7聯(lián)采用等截面普通鋼筋混凝土箱梁、第13聯(lián)采用鋼筋混凝土實(shí)心板梁，其余橋跨均采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁;另外，第7聯(lián)西端南北兩側(cè)分別接有上、下平行匝道，匝道橋全長均為120.0 m，上部結(jié)構(gòu)采用4跨等截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土輕型橋臺，帶橫梁雙立柱橋墩，承臺配樁基形式基礎(chǔ);上、下平行匝道下部結(jié)構(gòu)采用輕型橋臺和單柱式橋墩。主線橋橋面總寬為23.5 m～41.5 m，設(shè)計(jì)荷載為城—A級，抗震設(shè)防烈度為8度，上部預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計(jì)。為檢驗(yàn)工程質(zhì)量，并為橋梁竣工驗(yàn)收提供依據(jù)，對該高架橋部分橋跨進(jìn)行靜載試驗(yàn)，檢測上部結(jié)構(gòu)主梁在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變(應(yīng)力)和撓度，據(jù)此評價(jià)橋梁的受力性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2 靜載檢測準(zhǔn)備工作

2.1 檢測方法

本次靜載試驗(yàn)主要檢測應(yīng)變、撓度兩項(xiàng)指標(biāo)，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)變位或應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)ζ、結(jié)構(gòu)相對殘余應(yīng)變S'P、結(jié)構(gòu)剛度等，從而評估橋梁在試驗(yàn)荷載作用下是否滿足正常使用要求。其中應(yīng)變采用應(yīng)變片配合靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)測試，撓度采用位移計(jì)配合自動(dòng)巡檢全站儀測試。

2.2 評估方法

依據(jù)橋梁檢測評定技術(shù)規(guī)程，采用荷載試驗(yàn)效率控制荷載工況、加載位置。荷載試驗(yàn)效率按下式計(jì)算:

其中，ηs為靜力荷載試驗(yàn)效率，對驗(yàn)收性荷載試驗(yàn)，其值應(yīng)不小于0.85，且不大于1.05;Sstat為實(shí)際工況荷載作用下，控制斷面的最大內(nèi)力或變位計(jì)算值;Sk為控制荷載作用下，控制斷面的最不利內(nèi)力或變位計(jì)算值;μ為設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)。本次項(xiàng)目橋梁設(shè)計(jì)荷載為城—A級，理論計(jì)算采用Midas civil 2017橋梁計(jì)算軟件建立試驗(yàn)聯(lián)模型進(jìn)行計(jì)算分析，以第5聯(lián)(11號墩～15號墩)為典型代表，計(jì)算模型見圖1。

圖1 第5聯(lián)主梁計(jì)算模型圖

結(jié)構(gòu)變位或應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)按照CJJ/T 233—2015城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

一般情況下，結(jié)構(gòu)變位或應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)小于1，當(dāng)大于1時(shí)應(yīng)查明原因，當(dāng)結(jié)果無誤時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力應(yīng)評定為不滿足要求。

測點(diǎn)的相對殘余變位按下式計(jì)算:

其中，S'P為測點(diǎn)的相對殘余變位(應(yīng)變)，%;SP為試驗(yàn)荷載作用下控制測點(diǎn)的殘余變位(應(yīng)變)實(shí)測值;St為試驗(yàn)荷載作用下控制測點(diǎn)的總變位(總應(yīng)變)測試值。當(dāng)測點(diǎn)的相對殘余變位或相對殘余應(yīng)變大于20%時(shí)，應(yīng)查明原因;當(dāng)結(jié)果無誤時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力應(yīng)評定為不滿足要求。

2.3 試驗(yàn)測試斷面及測點(diǎn)布置

選擇中間第5聯(lián)(11號墩～15號墩)為典型代表，試驗(yàn)中選取該聯(lián)西邊跨及中跨進(jìn)行靜載試驗(yàn)，控制截面見圖2，進(jìn)行應(yīng)變和撓度測試，代表最大正彎矩?cái)嗝嫖鬟吙?—1斷面;跨中最大正彎矩代表斷面中跨2—2斷面;最大負(fù)彎矩代表斷面3—3:中墩支點(diǎn)應(yīng)變測試。

圖2 測試斷面位置示意圖

以測試2—2斷面為例，其應(yīng)變測點(diǎn)編號及布置示意圖見圖3，撓度測點(diǎn)布置圖示意圖見圖4。

圖3 應(yīng)變測點(diǎn)編號及布置圖

圖4 撓度測點(diǎn)編號及布置圖

2.4 試驗(yàn)檢測加載

通過理論計(jì)算得到各測試斷面活載影響線，并由各測試斷面影響線按照荷載效應(yīng)等效及最不利布載原則進(jìn)行加載車載位布置。第5聯(lián)中跨2—2斷面最大正彎矩工況，加載載位示意圖見圖5。每個(gè)工況分四級加載，按標(biāo)號順序依次加載。

圖5 2—2斷面最大正彎矩南偏載載位示意圖（單位：mm）

3 靜載檢測結(jié)果

3.1 試驗(yàn)效率系數(shù)

根據(jù)CJJ/T 233—2015城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范中相關(guān)要求，應(yīng)滿足0.85～1.05，主橋各斷面靜載試驗(yàn)效率見表1。

表1 第5聯(lián)靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

由表1可知，本次靜載試驗(yàn)效率在1.04～1.05之間，滿足CJJ/T 233—2015城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范規(guī)定的靜載試驗(yàn)效率系數(shù)在0.85～1.05的要求。

3.2 荷載效應(yīng)校驗(yàn)系數(shù)

試驗(yàn)荷載作用下2—2測試斷面應(yīng)變實(shí)測值、理論值及校驗(yàn)系數(shù)見圖6。由圖6可知，中跨最大正彎矩?cái)嗝?2—2斷面)在試驗(yàn)荷載作用下，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.60～0.84之間，均小于1，表明該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)主梁當(dāng)前能夠滿足設(shè)計(jì)城—A級荷載的正常使用要求。

圖6 第5聯(lián)2—2斷面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)

試驗(yàn)荷載作用下2—2測試斷面撓度實(shí)測值、理論值及校驗(yàn)系數(shù)見圖7。由圖7可知，中跨最大正彎矩?cái)嗝?2—2斷面)在試驗(yàn)荷載作用下，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.73～0.75之間，均小于1，滿足規(guī)范要求，表明該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)主梁當(dāng)前能夠滿足設(shè)計(jì)城—A級荷載的正常使用要求。

圖7 第5聯(lián)2—2斷面撓度校驗(yàn)系數(shù)

3.3 結(jié)構(gòu)相對殘余變形

試驗(yàn)荷載下，第5聯(lián)2—2斷面主要應(yīng)變測點(diǎn)的相對殘余應(yīng)變見圖8，第5聯(lián)2—2斷面主要撓度測點(diǎn)相對殘余變位見圖9。由圖8，圖9可知，中跨箱梁最大正彎矩?cái)嗝媪旱谆炷翍?yīng)變相對殘余變形在6.3% ～11.1%之間，梁底撓度相對殘余變形在2.6% ～8.3%之間，應(yīng)變及撓度相對殘余變形均小于CJJ/T 233—2015城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)變及撓度相對殘余變形容許值20%，表明該聯(lián)箱梁具備良好的彈性回復(fù)能力。

圖8 第5聯(lián)2—2斷面主要應(yīng)變測點(diǎn)的相對殘余應(yīng)變

圖9 第5聯(lián)2—2斷面主要測點(diǎn)撓度相對殘余撓度

3.4 結(jié)構(gòu)剛度檢驗(yàn)

在試驗(yàn)荷載作用下，2—2最大正彎矩?cái)嗝媪旱讓?shí)測撓度最大值及撓跨比見表2。由表2可知，試驗(yàn)荷載作用下，2—2斷面梁底撓度實(shí)測最大值為3.8 mm，推算至1.05倍設(shè)計(jì)荷載作用下的撓度為3.0 mm，為跨度的1/10 000，遠(yuǎn)小于JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的L/600允許值，表明在設(shè)計(jì)城—A級荷載作用下該聯(lián)箱梁豎向剛度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表2 第5聯(lián)2—2斷面實(shí)測最大撓度及撓跨比

4 結(jié)語

本文開展了太原市某高架橋主線橋應(yīng)變、撓度等靜態(tài)檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)檢測計(jì)算了試驗(yàn)效率系數(shù)、荷載效應(yīng)校驗(yàn)系數(shù)、結(jié)構(gòu)相對殘余變形及結(jié)構(gòu)剛度，得出以下結(jié)果:

1)各工況試驗(yàn)荷載作用下，對應(yīng)控制測試截面應(yīng)變測點(diǎn)、撓度測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均滿足《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的要求，應(yīng)變、撓度相對殘余均小于20%。

2)在正常使用極限狀態(tài)下，目前所測試高架橋第5聯(lián)上部結(jié)構(gòu)箱梁能夠滿足設(shè)計(jì)城—A級荷載的正常使用要求。