某服役預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁靜載試驗(yàn)分析

游正勇

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

作為路面交通的重要組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)確保行車通暢、通行安全有重要意義。隨著服役時(shí)間的增加，在地基沉降、超荷載、環(huán)境腐蝕、設(shè)計(jì)缺陷等因素的影響下，橋梁安全性不斷降低，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)提高。與此同時(shí)，橋梁實(shí)際服役狀態(tài)與理論檢測(cè)結(jié)果之間存在差異，復(fù)雜的工作環(huán)境會(huì)直接影響其使用壽命和運(yùn)行安全性[1-3]，加強(qiáng)在役橋梁工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)意義深遠(yuǎn)。

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)是了解橋梁工作狀態(tài)的有效手段，即在橋梁特定位置施加荷載，模擬橋梁實(shí)際工作狀態(tài)以獲取撓度、應(yīng)力等指標(biāo)，結(jié)合指定截面數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，探究橋梁的承載力和安全性，尋找可能存在的安全隱患并及時(shí)處置，降低事故風(fēng)險(xiǎn)[4]。

1 工程概況

某公路橋梁項(xiàng)目全長94.2 m，橋面寬度10 m，共5跨，荷載水平為公路Ⅰ級(jí)，詳見圖1所示。該橋梁上部為預(yù)應(yīng)力箱梁，下部為柱式橋臺(tái)，橋梁支座為板式橡膠支座，橋面由瀝青混凝土和水泥混凝土調(diào)平層鋪設(shè)而成，層厚分別為10 cm和8 cm。通過靜載試驗(yàn)探究目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)界面撓度與應(yīng)力，判斷橋梁的工作狀態(tài)是否與設(shè)計(jì)吻合，借助有限元模型進(jìn)行模擬，評(píng)估橋梁的承載力是否達(dá)標(biāo)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為日常維護(hù)提供參考。

圖1 橋梁布置示意（單位：m）

2 有限元分析

利用MIDAS/Civil空間有限元軟件進(jìn)行模擬，該軟件在預(yù)應(yīng)力箱梁橋、斜拉橋、懸索橋等領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，土木建筑分析功能強(qiáng)大，可提供常見指標(biāo)參數(shù)評(píng)估，對(duì)橋梁分析和模型設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)作用[5]。

（1）計(jì)算參數(shù)：荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，荷載系數(shù)分為橫向分布系數(shù)和縱向折減系數(shù)，其系數(shù)分別為0.608和1.01。

（2）計(jì)算模型：根據(jù)該方案實(shí)際情況，橋梁為空間單元模擬，合計(jì)185個(gè)模擬單元。依據(jù)荷載情況獲得橋梁彎矩包絡(luò)圖，結(jié)果顯示邊跨彎矩水平最大。

3 靜載試驗(yàn)

在橋梁選定目標(biāo)位置施加靜荷載，控制應(yīng)變、截面位移等參數(shù)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，評(píng)估橋梁在一定荷載水平下的工作狀態(tài)和性能指標(biāo)。

3.1 靜載試驗(yàn)步驟

靜載試驗(yàn)可分為三個(gè)階段：1）對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和檢測(cè)，做好準(zhǔn)備工作；2）加載或卸載，記錄橋梁在此過程中的應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)變化；3）比較靜載條件下的模擬數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，判斷橋梁狀態(tài)。

（1）觀察橋梁整體性，判斷其結(jié)構(gòu)完整與否，做好試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，了解橋梁設(shè)計(jì)狀況、試驗(yàn)操作計(jì)劃、橋梁狀態(tài)、施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施細(xì)節(jié)等內(nèi)容。該階段是確保靜載試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)，通過對(duì)試驗(yàn)條件的準(zhǔn)備，為后續(xù)操作提供保障。

（2）橋梁荷載與卸載。根據(jù)試驗(yàn)條件與參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行橋梁加載，做好試驗(yàn)記錄和數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)在此過程中的橋梁變化，根據(jù)擬定的條件對(duì)橋梁加載，并觀測(cè)測(cè)試儀的數(shù)據(jù)變化[6]。加載過程中，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，判斷模擬值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系。根據(jù)參數(shù)關(guān)系判斷是否可以繼續(xù)加載，評(píng)估橋梁性能和安全狀態(tài)，尤其是存在安全隱患的橋梁，必須嚴(yán)格控制加載水平，避免引發(fā)安全事故。

（3）計(jì)算和比對(duì)靜載試驗(yàn)條件下的模型數(shù)據(jù)。測(cè)試后，記錄原始資料，收集圖片、文字、數(shù)據(jù)等，尋找內(nèi)在規(guī)律，并保留有用的資料，通過軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處置，根據(jù)技術(shù)操作規(guī)程、方案規(guī)定科學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù)意義，評(píng)估橋梁狀態(tài)和性能[7]。

3.2 加載方式

此次橋梁靜載試驗(yàn)荷載為32 t三軸汽車，為探究橋梁應(yīng)力和應(yīng)變指標(biāo)變化情況，根據(jù)等效荷載效應(yīng)分階段施壓荷載。用ηq表示靜力荷載試驗(yàn)效率，該指標(biāo)計(jì)算公式如（1）所示，表示試驗(yàn)荷載與設(shè)計(jì)荷載的等效程度。橋梁在服役狀態(tài)下受多重因素影響，且受力結(jié)構(gòu)多為復(fù)合性，靜力荷載試驗(yàn)效率值一般在0.95~1.05區(qū)間內(nèi)。

式中，S——靜載試驗(yàn)中目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)界面的最大荷載效應(yīng)；S′——設(shè)計(jì)荷載水平下的對(duì)應(yīng)界面荷載效應(yīng)；μ——沖擊系數(shù)，為規(guī)定的規(guī)范值。

該橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)合工程特征，選用不同類型的車型進(jìn)行試驗(yàn)，加載車輛的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 加載車主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)

對(duì)有限元模型的模擬結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比總結(jié)，可獲得橋梁的荷載效率，詳見表2。

表2 靜力荷載試驗(yàn)加載效率

3.3 加載過程

此次靜載試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行四次加載。每一級(jí)加載確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，方可進(jìn)行第二級(jí)加載，加載需于確定位置逐步進(jìn)行。判斷穩(wěn)定狀態(tài)：每次加載后對(duì)目標(biāo)位置觀測(cè)點(diǎn)橫截面變位增量進(jìn)行觀測(cè)，最后觀測(cè)5 min內(nèi)變位增量小于最初觀測(cè)5 min變位增量15%判定為其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，荷載檢測(cè)的總時(shí)間應(yīng)大于15 min。靜載試驗(yàn)需由專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指揮，并觀測(cè)和記錄現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析橋梁情況，為后續(xù)工序奠定基礎(chǔ)。

3.4 測(cè)點(diǎn)布置

以橋梁箱形截面梁受力特點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用有限元模型軟件MIDAS/Civil構(gòu)建內(nèi)力包絡(luò)圖，并結(jié)合該項(xiàng)目靜載試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行分析，詳見圖2所示。1-4#梁為撓度測(cè)量點(diǎn)，1#~8#測(cè)點(diǎn)、11#~13#測(cè)點(diǎn)、21#~23#測(cè)點(diǎn)為應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)。

圖2 控制截面及測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 撓度

靜載試驗(yàn)滿載條件下的橋梁撓度情況如圖3所示。對(duì)圖3分析可知：1）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的撓度數(shù)據(jù)模擬值與實(shí)測(cè)值之間并無明顯差距，主梁橫斷面各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)撓度數(shù)據(jù)無顯著突變情況，主梁橫向方向撓度曲線相對(duì)平緩，相比于理論數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)值繪制的實(shí)測(cè)撓度曲線曲率較??；2）撓度值的實(shí)測(cè)結(jié)果在計(jì)算撓度與彈性撓度區(qū)間內(nèi)，綜合分析后可知，橋梁卸載后的相對(duì)參與變形不足20%，表明試驗(yàn)中主梁的受力相對(duì)均勻，橫向穩(wěn)定性突出；3）相鄰主梁間的剛度值大于理論計(jì)算值，表明該橋梁的靜載結(jié)果客觀，即橋梁的彈性狀態(tài)良好，處于安全工作范圍內(nèi)。

圖3 撓度測(cè)試結(jié)果

4.2 應(yīng)力

靜載試驗(yàn)中橋梁滿載情況下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力狀況如圖4所示。對(duì)圖4分析可知：1）不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的拉應(yīng)力值為負(fù)值，基本符合橋梁的受力狀態(tài)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)明顯的變形和受力改變；2）滿載情況下，實(shí)際測(cè)量應(yīng)力值和彈性應(yīng)力值基本吻合理論模型，彈性應(yīng)力值大小與計(jì)算值基本相當(dāng)，表明橋梁基本處于正常工作狀態(tài)下，參與應(yīng)力值不足20%，表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好；3）由此可見，該橋梁控制截面下翼緣板的彈性工作狀態(tài)良好，橋梁處于安全工作狀態(tài)下。

圖4 下翼緣板底應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

橋梁靜載試驗(yàn)中滿荷載情況下的橋梁腹板各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力情況如圖5所示。對(duì)圖5分析可知：1）各腹板監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力值小于計(jì)算值；2）滿荷載情況下橋梁處于彈性狀態(tài)，腹板幾何外形與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的曲線反映情況基本一致，未出現(xiàn)應(yīng)力突變狀況，表明系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，截面結(jié)構(gòu)合理且穩(wěn)定；3）由此可見，橋梁滿荷載作用下，腹板的彈性良好可維持正常工作狀態(tài)。

圖5 腹板應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

對(duì)上述應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析可知，不同截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滿荷載條件下的應(yīng)力值均符合要求，橋梁均能保持良好的彈性狀態(tài)，無明顯的應(yīng)力突變現(xiàn)象，表明截面符合系統(tǒng)要求，參數(shù)設(shè)計(jì)符合規(guī)范，橋梁安全性突出，無安全隱患。

4.3 校檢系數(shù)

校檢系數(shù)ζ是評(píng)估現(xiàn)役橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和工作性能的重要指標(biāo)，靜載試驗(yàn)中可以用應(yīng)力或應(yīng)變指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與理論值之間的比值來計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中，Se——靜載試驗(yàn)條件下滿荷載水平時(shí)，測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變或應(yīng)力實(shí)測(cè)值；Ss——靜載試驗(yàn)條件下，滿荷載水平時(shí)測(cè)量點(diǎn)橫截面對(duì)應(yīng)的理論應(yīng)變或應(yīng)力值。查找相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)校檢系數(shù)小于1時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性突出，表明其處于正常狀態(tài)，工作性能良好可以滿足系統(tǒng)需求，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差小，橋梁可以提供充分的安全保障。

以現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算結(jié)果獲得橋梁校檢系數(shù)，詳見圖6所示。對(duì)圖6內(nèi)容分析可知，橋梁校檢系數(shù)水平在0.7~0.8范圍內(nèi)，表明橋梁處于正常工作狀態(tài)下，符合相關(guān)規(guī)范要求，可以提供相對(duì)充分的安全保障。

圖6 校檢系數(shù)分布情況

5 結(jié)論

通過橋梁靜載試驗(yàn)，分析了在役橋梁撓度、應(yīng)力、承載能力等指標(biāo)，通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，評(píng)估在役橋梁的工作狀態(tài)，結(jié)論如下:

（1）靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，橋梁荷載效率在0.97~1.02區(qū)間內(nèi)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即橋梁滿荷載情況下可以確保安全性，工作狀態(tài)穩(wěn)定，基本符合設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)荷載效應(yīng)的要求。

（2）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主梁受力情況相對(duì)均勻，橫向撓度、應(yīng)變曲線平緩，殘余變形不足20%，證實(shí)橋梁的彈性指標(biāo)合規(guī)，可在靜載試驗(yàn)條件下處于正常工作狀態(tài)，試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)與理論值之間并無明顯差異。

（3）主梁控制截面校驗(yàn)系數(shù)在0.7~0.8范圍內(nèi)，證實(shí)橋梁剛度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可確保正常使用。

綜上所述，該在役橋梁工作性能良好，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算值基本吻合，表明橋梁使用安全性高。