探討預制梁橋梁荷載試驗檢測方法

汪義志

(衡陽市建設工程質量安全監(jiān)督站，湖南 衡陽 421000)

1 引言

隨著城市建設發(fā)展的需要，城區(qū)內(nèi)貨車超載狀況日益加劇，同時施工單位對濕接縫施工不重視和操作空間小，導致濕接縫質量較差，從而加速橋梁薄弱區(qū)域濕接縫的破壞。某些地區(qū)橋梁管養(yǎng)單位因人力、技術、經(jīng)費不足，使得橋梁病害得不到及時發(fā)現(xiàn)和修補加固，隨著病害發(fā)展加劇，致使橋面局部塌陷、斷梁甚至于斷橋的嚴重事故。如2004年10月發(fā)生在河南滎陽市王村鎮(zhèn)蔣頭村北頭連霍高速612km處的一起路橋橋面塌陷事故，導致一輛滿載焦炭的大型貨車來不及躲避而陷入橋面，損失嚴重；2011年5月，位于吉林省長春市內(nèi)伊通河上的一座大橋橋面發(fā)生了塌陷，導致一輛貨車直接墜河。兩起事故的主要原因都是因為單梁與單梁之間連接的濕接縫破損，從而引發(fā)了橋面破損，橋梁橫向連接失效，致使車輛荷載無法橫向傳遞到其他梁上，進而單梁承受汽車荷載，最終釀成安全事故。橋梁坍塌事故的發(fā)生對社會帶來不同程度的財產(chǎn)損失和人身安全威脅，同時也為橋梁行業(yè)帶來諸多負面影響，因此很有必要對單梁和成橋荷載試驗進行對比研究分析，以此尋找更加適合驗證橋梁安全質量的措施及方法。

本文以平步大橋為背景，選取本工程左幅14#～17#軸跨為荷載試驗對象，該聯(lián)跨徑為(40+40+40+30)m，結構形式為先簡支后結構連續(xù)的預制小箱梁橋。重點從撓度和應變數(shù)據(jù)兩方面來分析，將以荷載效率為基本條件、以效應系數(shù)為唯一準則，探索單梁荷載試驗和成橋荷載試驗哪個更能確保橋梁質量安全。

2 荷載試驗及其結果分析

為了使試驗數(shù)據(jù)結果的可比對性更強，結論更為合理，需要從兩個方面著手。第一，荷載試驗應避開溫差較大的時間段，因為溫差過大會對試驗結果產(chǎn)生不利的干擾；故橋梁荷載試驗和單梁荷載試驗均是在晚上7點后開始進行；第二，選取成橋荷載試驗數(shù)據(jù)的第16跨16-1邊梁和對應的第16跨16-1梁單梁荷載試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，更具說服力。

2.1 橋梁計算模型及試驗加載效率

單梁和成橋荷載試驗的仿真模型均采用空間有限元程序MIDAS/Civil 2012進行，因主梁與蓋梁、單梁和試驗臺之間的聯(lián)系均是橡膠支座，下部結構對整體仿真模型結果無影響，故下部結構無需仿真模擬；平步大橋整體橋梁模型是采用梁格法原理建模，成橋試驗仿真模型見圖1；單梁是采用單一桿系單元建模，單梁荷載試驗仿真模型見圖2。

圖1 平步大橋橋梁計算模型圖

圖2 平步大橋16-1單梁計算模型

通過橋梁仿真模擬模型來確定測試截面位置、車輛加載位置以及加載重量，來確保荷載效率基本條件成立。最大試驗荷載依照試驗荷載效率來計算。靜力試驗荷載效率的計算公式如下。

式中：Sstat——試驗荷載作用下，檢測部位變位或內(nèi)力的計算值；S——設計荷載作用下，檢測部位變位或內(nèi)力的計算值；δ——設計取的動力系數(shù)。

靜力試驗荷載效ηd率取值范圍為0.80～1.00①。

試驗中將對測試截面進行撓度、應力(應變)測試，橋梁荷載試驗和單梁荷載試驗測試截面位置均位于主梁跨中。

試驗荷載的最大噸位按照控制截面的試驗內(nèi)力達到設計控制內(nèi)力的80%～100%來確定。試驗工況設置見表1所示。

表1 試驗工況設置一覽表

橋梁荷載試驗工況采用6輛重約550kN的載重汽車進行加載，加載分四級，即：1097.9kN→1638.0kN→2749.6kN→3319.8kN。滿載后持荷至變形穩(wěn)定。卸載只分一級，即：3319.8kN→0kN，卸載后繼續(xù)進行觀測至結構穩(wěn)定。工況實際荷載試驗效率系數(shù)如表2所示。

表2 試驗彎矩(kN·m)和試驗荷載效率系數(shù)

單梁荷載試驗工況采用千斤頂頂推反力梁的方式進行加載，加載分四級，即：150.49kN→277.94kN→436.28kN→552.52kN。滿載后持荷至變形穩(wěn)定。卸載也只分一級，即：552.52kN→0kN，卸載后繼續(xù)進行觀測至結構穩(wěn)定。工況實際荷載試驗效率系數(shù)如表3所示。

表3 試驗彎矩(kN·m)和試驗荷載效率系數(shù)

2.2 試驗測試結果及分析

2.2.1 試驗測試結果

在各級荷載作用下，本文將試驗中所測得的實測撓度數(shù)據(jù)根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的第5.7.3條進行了支座沉降修正，最后的數(shù)據(jù)結果如表4所示。

表4 各級荷載作用下控制截面撓度測點實測值(單位：mm)

在各級荷載作用下，本文在所測得的實測應變數(shù)據(jù)基礎上，修正了溫度的影響，其最后的數(shù)據(jù)結果如表5所示。

表5 各級荷載作用下控制截面底板應變測點實測值平均值(單位：με)

2.2.2 測試結果分析

通過實測數(shù)據(jù)的分析處理，作為判斷橋梁、單梁是否合格的唯一準則——校驗系數(shù)，對于預應力混凝土構件測量的彈性變形或力值(Se)與試驗荷載作用下理論計算值(Sstat)的比值(校驗系數(shù)η)應滿足

β<η=Se/Sstat≤α。

式中，β=0.7，α=1.05①。

量測的殘余變形值與量測的總變形值的比值ξ應滿足

ξ=Sp/Stot≤α1。

式中，α1=0.2①。

本文通過加載試驗取得應變、撓度實測數(shù)據(jù)，并進行計算和分析兩次荷載試驗的應變及位移效應系數(shù)、殘余變形系數(shù)，結果匯總如表6所示。

通過表6分析對比可以得出成橋荷載試驗所得撓度和應變的效應系數(shù)均遠小于單梁荷載試驗下?lián)隙群蛻兊男禂?shù)。本文對造成該結果的原因進行簡要分析，主要有如下兩點。

表6 試驗評定指標計算綜合表

第一，試驗測試選取對比的試驗梁16-1為邊梁，做成橋荷載試驗時，其橋梁的防撞欄已全部現(xiàn)澆完畢，由于是整體現(xiàn)澆，故在成橋荷載試驗中是參與了受力；因為設計院出示的設計圖紙防撞欄是以自重荷載形式存在的，并沒有考慮在整個橋梁中貢獻了多少剛度和強度，所以數(shù)字建模中是沒有考慮其強度和剛度的，故導致成橋荷載試驗效應系數(shù)偏??；

第二，因橋面鋪裝為10cm水泥混凝土，也因第一點提及到的原因，其強度和剛度在數(shù)字建模中也未考慮其強度和剛度，而在荷載試驗中也是參與其受力，故也導致成橋荷載試驗效應系數(shù)偏小。

基于以上分析，同時從成橋荷載試驗中所采集的數(shù)據(jù)和單梁荷載試驗采集的數(shù)據(jù)對比可以看出，成橋的剛度、強度比單梁的剛度、強度均提高了很多。

3 結論及建議

通常做交竣工驗收的橋梁荷載試驗時，橋面鋪裝和濕接縫均未破損，橋梁處于整體受力狀態(tài)，故這時的荷載試驗是基于橋梁整體受力的一個試驗過程，因此無法精準反映每一片預制梁的實際質量狀況；在這種情況下，橋梁運營期間，如果管理養(yǎng)護單位養(yǎng)護、維修不及時，久而久之濕接縫破損，橫向連接失效，梁與梁之間的橫向傳力途徑遭到破壞，致使單片梁獨立承受汽車荷載，甚至于單片梁承受偏載，此時的橋梁存在斷梁的重大安全隱患，而這種質量安全隱患，是無法通過成橋荷載試驗驗證其是否安全可靠。從當下不斷發(fā)生的橋面塌陷和斷梁安全事故來看，在確保單梁施工質量的前提下，既可以為我們贏取更多時間發(fā)現(xiàn)病害、修復病害，又可以杜絕此類的安全事故的發(fā)生。因此，對前期預制梁施工質量的把控到位，為后期橋梁安全運營打下了堅實的基礎。

綜上所述，針對當前城市快速發(fā)展引發(fā)的超載運營不良現(xiàn)象，我們迫切需要在源頭把控好每一片梁的質量。單梁作為預制梁橋的重要子構件，只有確保子構件質量的過關，才能為實現(xiàn)橋梁“百年質量”目標提供基本保障。在當前，單梁荷載試驗是檢測單梁是否符合設計要求的最直接最有效的檢測手段，因此，在交工檢測中增加單梁荷載試驗項目，是確保橋梁質量最為行之有效的措施。