基于靜力荷載試驗的橋梁狀態(tài)檢測評估

閆國華

（山西交通控股集團呂梁北高速公路管理有限公司，山西 呂梁 033000）

1 靜力荷載試驗檢測概述

進行橋梁性能檢測時，必須對橋梁整體結構性能及各部件工作性能展開全面且完善的檢測與試驗，其中最為關鍵的是對包括剛度、強度、穩(wěn)定性等在內(nèi)的橋梁結構承載能力的測定。通常，當發(fā)生以下四種情況后必須進行橋梁荷載試驗：①橋梁建設等級或要求較高，必須通過荷載試驗確保其達到超常規(guī)要求；②橋梁運行過程中交通量大、重載車輛運行時間長，則必須根據(jù)荷載試驗結果保證其結構安全與穩(wěn)定；③橋梁結構運行時間較長，為進行梁體結構安全性評價或經(jīng)過大型加固改造后進行驗收；④橋梁建設期間所用承重材料存在缺陷，使梁體結構承載力受到不利影響。

靜力荷載試驗實施時，必須在指定橋梁位置上設置靜止荷載，并檢測其靜應變、靜位移、裂縫情況。根據(jù)檢測結果綜合判斷橋梁結構受荷載作用后的使用性能和工作狀態(tài)。可以通過特定載重級別的車輛向待檢測橋梁施加靜力荷載，也可以將水箱、預制塊件運輸至指定位置施加靜載。加載分級級數(shù)通常根據(jù)橋梁實際情況予以確定，通常情況下，直接按照最大控制截面內(nèi)力將其劃分為四級；而在借助重型車輛施加靜力荷載時，為簡化車輛加載、卸載及稱重等環(huán)節(jié)，通常設置三級加載級數(shù)?？傊?，如橋梁狀況不良或在試驗前期準備工作并不充分的情況下，應盡量多設置加載分級級數(shù)；如受環(huán)境或其他因素限制而導致級別較小時，可在各級加載期間使車輛緩慢駛入指定加載位置，確保試驗安全。卸載處理時可以在分級加載后直接卸載，也可以在完成全部加載后再分級卸載。

靜力荷載試驗車輛通常選用載重汽車或平板車。借助車輛加載既方便調(diào)運，又能加快加載卸載速度，加載試驗也可以使用重物，即依據(jù)控制荷載著地輪痕搭設承載架，在承載架上利用重物進行加載。如果加載試驗過程持續(xù)時間較長，則應考慮在夜間進行，以控制溫度變化對加載試驗結果的不利影響。由于靜力加載試驗必須取得量化的數(shù)據(jù)及參數(shù)，因此在加載試驗過程中必須準確稱量加載物具體質(zhì)量。可以直接稱量，也可以通過體積測量后換算得出；加載車輛可根據(jù)車輛出廠規(guī)格直接確定。需注意的是，使用車輛進行靜力荷載試驗時，必須使車輛上的加載物對稱排列，并將縱向軸兩側質(zhì)量誤差控制在5%以內(nèi)，準確測量橋梁實際受力及相應的變形情況。

2 工程概況

某橋梁于1999年建成，上部為現(xiàn)澆連續(xù)箱型梁結構設計，共分為三聯(lián)，第一聯(lián)K0+000—K0+067，跨徑67m；第二聯(lián)K0+067—K0+132.5，跨徑65.5m；第三聯(lián)K0+132.5—K0+216.5，跨徑84m。橋梁斷面全寬8.0m（防撞護欄0.5m+車行道7.0m+防撞護欄0.5m），按照單車道設計。上部結構為單箱單室截面形式，箱梁高1.6m、頂板寬8.0m、懸臂長1.5m。第一聯(lián)預應力混凝土箱梁外跨中腹板及支點處腹板設計厚度分別為0.5m和0.65m，在小半徑平曲線的作用下，通過增大曲線內(nèi)側腹板厚度以增加結構自重，跨中腹板及支點處腹板厚度分別增大至0.7m和0.9m。第二聯(lián)普通鋼筋混凝土箱梁曲線外跨中腹板及支點處腹板設計厚度分別為0.5m和0.6m，曲線內(nèi)側腹板同樣加厚，以增大結構自重，跨中及支點處腹板厚度分別增大至0.7m和0.9m。第三聯(lián)預應力混凝土箱梁跨中及支點處腹板設計厚度分別為0.5m和0.35m，箱梁頂?shù)装搴穸染鶠?.2m。

預應力混凝土箱梁和普通鋼筋混凝土箱梁分別采用C50和C40混凝土，橋面鋪裝層為厚度8cm的防水混凝土+厚度9cm的改性瀝青混凝土層；以摩擦系數(shù)0.15、管道偏差系數(shù)0.001 5的塑料波紋管為預應力管道。

采用滿堂支架澆筑法進行橋梁上部結構施工，預應力由兩端張拉：先張拉橫隔梁1/2處預應力鋼束，再進行主梁頂板和腹板處鋼束對稱張拉，張拉結束后進行剩余橫隔梁預應力鋼束張拉。待全部預應力張拉完畢后再拆除支架。

2021年5月，在該橋梁定期檢測過程中，根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術標準》（CJJ 99—2017）及該橋梁表觀檢測結果，將其技術狀況整體評定為C級，橋面鋪裝結構嚴重破損；梁體結構出現(xiàn)數(shù)條明顯的豎向裂縫，橋梁上部結構加固鋼板存在螺栓松動等病害，下部結構被評定為B級?；诖耍柰ㄟ^靜力荷載試驗對該橋梁狀態(tài)進行檢測評估。

3 橋梁荷載試驗

3.1 試驗目的

考慮到該橋梁日常交通量大，橋梁結構安全對交通運行存在較大影響，必須對其進行荷載試驗，以探明橋面鋪裝受損程度及原因。通過橋梁荷載試驗，首先驗證橋梁上部結構承載力是否符合公路-Ⅰ級荷載以及梁體、空心板等分布規(guī)律，判斷橋梁上部結構是否存在單梁受力以及橋面嚴重破損的具體原因。荷載試驗期間，通過觀測原主要病害變化程度以及試驗期間是否發(fā)生新增病害，判斷橋梁結構運營安全性。通過橋梁荷載試驗全面掌握橋梁整體工作狀態(tài)的基礎上綜合評估橋梁結構運營安全性，分析潛在隱患，為橋梁結構長期運營安全提供可靠數(shù)據(jù)。

3.2 試驗荷載

采用Midas Civil有限元軟件構建空間有限元模型[1]，以進行靜力試驗所加載荷載大小的確定。根據(jù)第一聯(lián)～第三聯(lián)邊跨跨中、中跨跨中與墩頂截面彎矩影響曲線以及各截面影響線，按照單車道進行公路-Ⅱ級車道荷載加載計算，箱梁偏載系數(shù)（即橫向分布系數(shù)）取1.15，沖擊系數(shù)按照規(guī)范取值。加載荷載效率及實際加載所對應的理論撓度值分別見表1和表2。

表1 加載荷載效率

表2 實際加載所對應的理論撓度值

3.3 加載方式

考慮到該橋梁建設時間較早，且缺乏設計及竣工資料，為確保檢測過程中加載安全，按照公路-Ⅱ級荷載標準80%→公路-Ⅱ級荷載標準100%→公路-Ⅰ級荷載標準100%依次加載。為全面掌握橋梁實際受力情況，每級荷載標準下的每一加載工況均嚴格按照4～5級分級方式加載。結合橋梁受力情況，選取第一聯(lián)0-1#跨中截面、1-2#跨中截面、1#墩墩頂截面，第二聯(lián)2-3#跨中截面、3-4#跨中截面、3#墩墩頂截面，第三聯(lián)6-7#跨中截面、7-8#跨中截面、7#墩墩頂截面等9個測試斷面。

根據(jù)正常使用荷載進行加載控制，布載則按照測試截面彎矩等效原則進行，還應保證測試截面試驗荷載效率符合檢測規(guī)程。加載試驗車輛數(shù)量及型號均應根據(jù)結構分析和荷載等效原則確定，該橋梁狀態(tài)檢測評估靜力荷載試驗車輛為5輛，前后軸距為3.8～4.2m，且后軸與車尾距離不超過2.0m、橫向輪距1.8m、前軸重10t、后軸重30t、總重40t的三軸車。靜力荷載試驗開始前必須將加載車輛過磅稱重，單車重量誤差控制在1t范圍內(nèi)。

根據(jù)測試斷面設置要求，在每個測試斷面分別設置5個撓度測點和5個應變測點，撓度測點均勻設置在底板位置，應變測點中3個測點均布于底板處，其余兩個測點分別設置于腹板和翼緣板交界處。

4 橋梁狀態(tài)評估

4.1 對稱加載測試結果

在靜力荷載試驗過程中，在各斷面布置5個撓度測點，并通過TOPCONDL-102C型精密電子水準儀進行各跨跨中目標點位撓度檢測，將檢測結果平均值和理論計算值進行比較。靜力荷載試驗中第一聯(lián)兩跨跨中撓度最大值為5.05mm，比允許值?。坏诙?lián)邊跨跨中及中跨跨中撓度值分別取1.19mm和1.15mm，均比允許值小；第三聯(lián)邊跨跨中及中跨跨中撓度值分別取1.95mm和2.08mm，也均小于允許值。試驗結果也表明，按照規(guī)范所得到的撓度理論值比各斷面撓度實測值大，不同加載工況下斷面撓度校驗系數(shù)取值均處于0.668～0.795范圍內(nèi)，這也說明該橋梁結構整體剛度較大，性能完好，能滿足當前《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2018）對橋梁結構活載撓度的限制性要求。試驗荷載影響下的各截面相對殘余變形最大為13.28%，遠比規(guī)范所規(guī)定的20%控制值小，梁體結構變形仍然處于良好的彈性工作階段。

靜力加載試驗中還進行了各工況下測點應變值的檢測，為簡化分析過程，主要進行同一斷面、同一高度測點實測應變均值和計算值、實測撓度均值與計算值的比較分析，其中，0～1#跨中截面公路-Ⅱ級荷載標準80%荷載等級下的試驗結果比較具體，見表3和表4。

表3 實測應變均值和計算值的比較

表4 實測撓度均值和計算值的比較

根據(jù)表中測試結果的比較可以看出，各斷面應變實測結果均比理論計算值小，荷載工況所對應斷面測點應變校驗系數(shù)取值在0.22～0.80之間，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的規(guī)定，橋梁結構斷面應變校驗系數(shù)若小于1，則表明梁體結構剛度較大，結構穩(wěn)定且處于較好的工作狀態(tài)。然而因橋面鋪裝、欄桿等附屬結構對橋梁剛度的影響無法精確計入檢測結果，導致所得計算結果比實際值小。此外，混凝土材料屬于非均質(zhì)材質(zhì)，存在局部應變滯后的情況，這也會對測驗結果造成一定影響[2]，為此，應結合撓度測試結果綜合判斷。撓度校驗系數(shù)取值在0.33～0.51之間，且各截面在靜力試驗荷載作用下相對殘余變形在-0.2%～2.3%范圍內(nèi)，比規(guī)范所規(guī)定的20%的極限值小，表明梁體結構處于較好的彈性工作狀態(tài)。

4.2 偏心加載測試結果

為分析偏心荷載作用下主梁受力和變形情況，在第一聯(lián)～第三聯(lián)中跨跨中實施偏心加載。偏心荷載作用下，偏心方向撓度和荷載對稱布置下?lián)隙鹊谋戎导礊橄淞簷M向增大系數(shù)[3]，具體表示見式（1）：

式中：ξ為箱梁橫向增大系數(shù)；we為偏心荷載作用下橫向測點撓度最大值或?qū)崪y應變值；w0為荷載對稱布置時橫向測點撓度均值或?qū)崪y應變值。

結合實測結果，試驗工況下，根據(jù)撓度值計算得到第一聯(lián)0～1#跨中截面、1～2#跨中截面、1#墩墩頂截面，第二聯(lián)2～3#跨中截面、3～4#跨中截面、3#墩墩頂截面，第三聯(lián)6～7#跨中截面、7～8#跨中截面、7#墩墩頂截面等9個測試斷面橫向增大系數(shù)取值分別為1.016、1.078、1.037、1.012、1.037、1.041、1.044、1.050、1.088，均小于1.15的推薦值，表明該橋梁梁體在偏心荷載作用下并未發(fā)生較大的扭轉變形，也說明梁體結構設計截面抗扭能力較強，結構受力處于有利狀態(tài)。

4.3 裂縫觀測結果

在靜力加載試驗過程中，進行主要受力部位混凝土結構表面裂縫寬度觀測。根據(jù)觀測結果，加載試驗期間并無明顯裂縫出現(xiàn)，既有裂縫加載后均無發(fā)展延伸跡象。

5 結語

綜上所述，實例橋梁梁體撓度試驗結果所顯示的撓度實驗值和理論計算值吻合度較高，撓度試驗結果比規(guī)范允許值小；在試驗荷載作用下，橋梁梁體主控制斷面撓度實測值和理論計算值之比（即校驗系數(shù)）均小于1，表明該橋梁剛度較大，性能良好。靜力荷載試驗所得到的測試斷面相對殘余變形最大值不超出20%，橋梁結構彈性狀態(tài)較好。經(jīng)以上研究，通過靜力荷載試驗進行橋梁狀態(tài)檢測評價能為橋梁結構安全運行提供基本依據(jù)。