靜載試驗在木橋檢測中的應用研究

宋萬平

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市 200444）

1 工程背景

上海某木橋為一座單跨簡支木梁橋，跨徑為8.2 m，橋面總寬為2.30 m。該橋設計和竣工資料均已遺失，設計荷載等級不明。該橋所處地段繁華，人流量較大，且木梁缺陷較多，技術狀況較差，橋梁已處于超限運營狀態(tài)。因此，明確該橋目前的人群荷載等級并確保橋梁的安全運營已成為管理單位的當務之急。

2 靜載試驗

靜載試驗是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下橋梁實際工作狀態(tài)與性能的有效手段，通過對橋跨結(jié)構(gòu)進行靜荷載加載，測量試驗荷載作用下控制截面應力（應變）和撓度等指標，檢驗實橋結(jié)構(gòu)的強度和剛度等參數(shù)是否滿足規(guī)范和設計要求。

2.1 測試斷面和測點布置

根據(jù)簡支梁橋結(jié)構(gòu)受力特性，本次試驗測試某木橋上部結(jié)構(gòu)木梁跨中斷面應變和撓度，測試斷面和測點布置見圖1和圖2。

2.2 加載載位及試驗效率

靜載試驗主要是檢驗該橋在接近設計荷載的基本試驗荷載作用下，橋梁的變形及主要受力構(gòu)件的應力狀態(tài)，也稱基本荷載試驗，一般要求試驗荷載在結(jié)構(gòu)主要控制截面上所產(chǎn)生的效應與設計荷載所產(chǎn)生的相應效應接近，其接近的程度是采用試驗荷載效率系數(shù)表示，其表達式為：

圖1 某木橋上部結(jié)構(gòu)木梁測試斷面示意圖（單位：mm）

圖2 某木橋上部結(jié)構(gòu)木梁測點布置示意圖（單位：mm）

式中：nq為靜載試驗荷載效率系數(shù)；Ss為靜載試驗荷載作用下控制截面內(nèi)力計算值；S為設計荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計算值（不計沖擊系數(shù)）；μ為按規(guī)范采用的沖擊系數(shù)。

該橋無設計與竣工資料可參考，根據(jù)某木橋人群荷載集度調(diào)查情況，確定該橋目標荷載為2.0 kN/m2。本次試驗采用人群荷載2.0 kN/m2作為期望荷載，并分級加載控制，其靜載試驗效率見表1。靜載試驗采用水箱分級加載，水箱加載位置見圖3和圖4。

表1 靜載試驗效率系數(shù)

圖3 木梁跨中最大正彎矩斷面加載位置立面示意圖（單位：mm）

圖4 木梁跨中最大正彎矩斷面加載位置平面示意圖（單位：mm）

由表1可知，本次靜載試驗效率滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）規(guī)定的靜載試驗效率0.95～1.05的要求。

2.3 試驗結(jié)果分析

橋梁靜載試驗中常用結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)、相對殘余變形（應變）等評判橋梁的承載能力和工作狀態(tài)[1]。

（1）根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）規(guī)定，為了檢驗試驗荷載作用下跨中測點的效應實測值與相應的計算值的差異，一般采用跨中測點效應校驗系數(shù)η進行檢驗：

式中：Se為試驗荷載作用下量測的彈性變位（或應力）值；Ss為試驗荷載作用下的理論計算變位（或應力）值。

測點效應校驗系數(shù)η是評定結(jié)構(gòu)工作狀況，確定橋梁承載能力的一個重要指標，一般要求效應校驗系數(shù)η不大于1.0。

試驗荷載下主梁跨中梁底應力實測值、理論值及校驗系數(shù)見表2，跨中撓度實測值、理論值及校驗系數(shù)見表3。

由表2和表3可知：在試驗荷載作用下主梁跨中斷面各測點的應力校驗系數(shù)為0.26～0.41，撓度校驗系數(shù)為0.41～0.54，均小于1，說明橋梁滿足

表2 主梁跨中截面梁底應力校驗系數(shù)

表3 主梁跨中截面撓度校驗系數(shù)

式中：S'p為試驗荷載作用下所產(chǎn)生相對殘余變位（或應變）；St為試驗荷載作用下所產(chǎn)生的總變位（或應變）；Sp為試驗荷載卸載后的殘余變位（或應變），Sp=St-Se；Se為試驗荷載作用下所產(chǎn)生的彈性變位（或應變）。

測點在控制加載程序時的相對殘余變位（或應變）S'p越小說明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀態(tài)，一般要求S'p值不大于20%。

表4 和表5列出了各主梁跨中斷面各測點應力和撓度相對殘余變形檢測結(jié)果。強度要求，有一定的安全儲備。

（2）相對殘余變位（或應變）是檢驗結(jié)構(gòu)彈性回復能力的一個重要指標，其表達式如下式所示：

表4 試驗荷載下各主梁跨中斷面各測點相對殘余應力

表5 試驗荷載下各主梁跨中斷面測點相對殘余變形

由表4和表5可知，該橋各主梁跨中斷面應力相對殘余變形在2.7%～10.5%之間，撓度相對殘余變形在0.5%～2.5%之間，均小于規(guī)范規(guī)定的相對殘余變形容許值20%，表明橋梁具備良好的彈性恢復能力。

（3）某木橋上部結(jié)構(gòu)主梁跨中梁底在1.04倍人群荷載2.0 kN/m2作用下實測跨中撓度最大值為3.155 mm，推算至人群荷載2.0 kN/m2作用下的撓度值為3.034 mm，為跨度的1/2 472，遠小于規(guī)范[2]規(guī)定的L/600允許值12.5 mm，表明某木橋上部結(jié)構(gòu)木梁的豎向剛度良好。

3 結(jié)構(gòu)承載能力檢算

本次通過容許應力法分析評價結(jié)構(gòu)承載能力，首先根據(jù)試驗荷載作用下木梁跨中梁底的實測應變值推出期望荷載作用下木梁跨中梁底的應力值，然后與恒載作用下木梁跨中梁底的應力值進行最不利組合，將最不利組合下的應力值與木梁的容許應力值進行比較，從而判斷木橋上部結(jié)構(gòu)承載能力是否滿足人群荷載2.0 kN/m2的要求。承載能力檢驗結(jié)果見表6。

表6 木梁跨中最大正彎矩斷面承載能力檢驗結(jié)果

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該橋矩形木梁遭蟲蛀，木梁有效面積減小，將導致矩形木梁承載能力大大降低，故恒載作用下木梁跨中梁底應力計算時考慮矩形木梁截面高度折減3 cm。

由于該橋無設計與竣工資料參考，木材種類未知，故偏安全考慮取針葉材容許應力最小值，本次木梁的容許應力取9.5 MPa。參考《古建筑木結(jié)構(gòu)維護與加固技術規(guī)范》（GB 50165-92）第6.4.2條驗算古建筑木結(jié)構(gòu)時，其木材設計強度和彈性模量取值應符合以下規(guī)定：（1）按現(xiàn)行國家標準《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》的規(guī)定采用，并乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.90；（2）對外觀已顯著變形或木質(zhì)已老化的構(gòu)件，尚應乘以表6.4.2考慮荷載長期作用和木質(zhì)老化影響的調(diào)整系數(shù)，根據(jù)該橋上部結(jié)構(gòu)主梁木材檢查情況，本橋木梁木材設計強度調(diào)整系數(shù)取0.90。綜上，該橋上部結(jié)構(gòu)主梁進行承載能力件算時木材應力容許值應進行折減，折減系數(shù)取0.81。

從表6可以看出，該橋木梁在人群荷載2.0kN/m2作用下跨中最大正彎矩斷面由恒載和活載共同產(chǎn)生的梁底應力值為3.82 MPa，均小于折減后應力容許值，表明該橋木梁跨中最大正彎矩斷面抗彎強度能夠滿足人群荷載2.0 kN/m2的安全承載要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過對某木橋上部結(jié)構(gòu)木梁進行靜載試驗，可得出如下結(jié)論：

（1）靜載試驗中橋梁結(jié)構(gòu)各應力及撓度測點的校驗系數(shù)均小于1.0，說明木梁滿足強度要求，有一定的安全儲備。

（2）靜載試驗中橋梁結(jié)構(gòu)各測點的相對殘余變形（應力）均小于20%，表明木梁在試驗荷載下基本處于彈性工作狀態(tài)。

（3）根據(jù)木橋的靜載試驗結(jié)果對該橋上部結(jié)構(gòu)的強度和剛度進行檢算，表明木橋上部結(jié)構(gòu)木梁能夠滿足人群荷載2.0 kN/m2的安全承載要求。