靜載試驗在橋梁檢測中的應(yīng)用研究

王 燕

（浙江浙交檢測技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310000）

0 引言

作為一種影響范圍大、數(shù)據(jù)可靠的檢驗方法，橋梁檢測能夠快速有效地了解橋梁結(jié)構(gòu)的服役狀況。荷載試驗作為橋梁檢測中的關(guān)鍵組成部分，因為能夠直接有效地得到橋梁應(yīng)力和撓度數(shù)據(jù)，在橋梁承載能力評定中得到了廣泛應(yīng)用。靜載試驗是通過在橋梁結(jié)構(gòu)上施加與控制荷載等效的靜態(tài)外加荷載，利用檢測儀器設(shè)備測試橋梁結(jié)構(gòu)控制部位與控制截面的力學效應(yīng)的現(xiàn)場試驗[1-4]。同時，靜載試驗還能夠掌握無法精確計算部位的受力狀態(tài)，還能夠發(fā)現(xiàn)一般檢測過程中難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽病害。通過靜載試驗實現(xiàn)橋梁工作狀態(tài)的全面了解，為進一步維護、改擴建和加固提載提供基礎(chǔ)依據(jù)[5-6]。依托于某連續(xù)梁橋承載能力評定項目，文章在分析靜載試驗?zāi)康牡幕A(chǔ)上，對外觀檢測和靜載試驗的方案進行了分析，并對試驗工況和加載流程作了探討，最后依據(jù)上述試驗荷載和靜載工況進行了試驗，通過實測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)主梁撓度和應(yīng)變的校驗系數(shù)均能夠滿足規(guī)范要求。

1 工程概況

某連續(xù)梁橋全長為170.0 m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑組合為（45+80+45）m，橋面橫向布置為0.5 m（護欄）+7.0 m（行車道）+0.5 m（護欄）。根據(jù)橋梁設(shè)計資料，道路等級為四級公路，行車設(shè)計時速為30 km/h，荷載等級為公路-Ⅱ級，采用雙向兩車道設(shè)計，設(shè)計基準期為100年。

2 橋梁靜載試驗的目的

為了檢驗橋梁設(shè)計、施工質(zhì)量，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常運營，對于橋梁承載能力進行檢驗，做靜載試驗，是基于以下四方面的目的：

（1）根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比分析，驗證橋梁設(shè)計和施工水平，明確工程質(zhì)量是否滿足要求，為后續(xù)質(zhì)量評價和驗收提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載下的實際受力狀況，評價其在設(shè)計使用荷載下的工作性能，確定橋梁的實際承載能力。

（3）驗證橋梁設(shè)計理論、計算方法和計算過程中的架設(shè)是否合理和正確，為后續(xù)類似橋梁的設(shè)計、施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（4）給養(yǎng)護管理部門提供第一手數(shù)據(jù)資料，為該工程日后驗收、運營、養(yǎng)護和管理提供科學依據(jù)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗

3.1 外觀檢查

橋梁的外觀檢查需要在巡檢檢查的基礎(chǔ)上進行的，對巡檢檢查發(fā)現(xiàn)的問題予以重點關(guān)注。在荷載試驗開始前，對關(guān)鍵截面的結(jié)構(gòu)進行全面外觀檢查，確定不同病害的具體位置，尤其是對靜載試驗?zāi)軌虍a(chǎn)生影響的病害，如結(jié)構(gòu)裂縫、鋼筋銹蝕和混凝土損傷等，還應(yīng)在試驗過程中實時關(guān)注結(jié)構(gòu)撓度、應(yīng)力的變化，以及靜載試驗中支座是否偏位需要重點檢查。試驗完成后，需要對撓度和應(yīng)力變化較大的部位展開進一步調(diào)查分析，找出相關(guān)原因和進一步發(fā)展的病害。

為了實現(xiàn)對橋梁承載能力的精確評定，首先要對橋梁外觀進行檢測。下述以混凝土橋梁為例加以說明。目前橋梁外觀檢測以人工抵近目測觀察為主，同時輔助以簡單的測量工具和檢測儀器，主要包括裂縫測寬儀、卷尺、手工錘等。對橋梁外觀存在的缺陷或者病害，采用文字描述和照片的形式予以記錄。記錄內(nèi)容包括病害位置、大小、范圍以及對結(jié)構(gòu)的影響程度，同時在檢測報告中進行初步分析，同時進行各方確認。

3.2 試驗項目

3.2.1 荷載工況

根據(jù)該項目橋梁上部結(jié)構(gòu)汽車活載彎矩包絡(luò)圖（見圖1），選擇橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力截面進行設(shè)計荷載工況下的截面應(yīng)力和位移分析，具體測試斷面見圖2~圖4。為了實現(xiàn)對橋梁承載能力和可靠性進行評斷，現(xiàn)確定如下試驗內(nèi)容，具體包括三種荷載工況。

圖1 主梁彎矩包絡(luò)圖（kN·m）

工況一：邊跨（第1跨）跨中最大正彎矩，距離橋梁左端線19.92 m。

工況二：1號墩墩頂最大負彎矩斷面，位于第1跨內(nèi)，距離1號墩中心線2 m。

工況三：中跨（第2跨）跨中最大正彎矩斷面，距離1號墩中心線40.0 m。

3.2.2 靜載布置方案

根據(jù)荷載試驗加載原則、彎矩影響線和橋梁設(shè)計標準確定橋梁靜載試驗車輛布置方案。為了全面了解橋梁結(jié)構(gòu)情況，靜載試驗車輛布置方案應(yīng)全面、細致，對于橋梁關(guān)鍵截面的受力情況和實際交通狀況能夠很好地表征。根據(jù)規(guī)范要求，對交（竣）工驗收荷載試驗的效率宜介于0.85~1.05之間。其中S1~S3為應(yīng)力測試控制斷面，W1~W3為主梁位移測試控制斷面。橋梁靜載試驗方案車輛布置方案如圖2所示。

圖2 S1/W1斷面加載車輛縱橋向布置圖（cm）

圖3 S2/W2、S3/W3斷面加載車輛縱橋向布置圖（cm）

圖4 加載車輛橫橋向布置圖-中載（cm）

3.3 荷載效率

橋梁靜載試驗對橋梁結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的撓度和應(yīng)力進行測量，與理論分析數(shù)據(jù)進行對比分析，檢驗和評定橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和強度。根據(jù)當前研究和規(guī)范要求，控制截面上產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度需要與理論計算控制荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)較為接近，接近程度即為荷載效率。目前試驗荷載效率系數(shù)采用ηq表示，計算如下所示。

式中，ηq——靜載試驗荷載效率；Ss——靜載試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計算效應(yīng)值；S——控制荷載產(chǎn)生的同一控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計算值（不計沖擊系數(shù)）；μ——按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

3.4 加載車輛

此次靜載試驗的目的是檢驗橋梁在相當于設(shè)計汽車荷載標準值的試驗荷載作用下，橋梁的變形及主要構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，故采用基本荷載試驗?？紤]到現(xiàn)場加載條件和靜載試驗效率的要求，在試驗過程中，對車輛進行配重和配重檢查，確保車輛軸重能夠滿足荷載試驗的要求。荷載試驗過程中需要確保荷載均勻變化，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的荷載響應(yīng)。通過計算分析后，可以得出每個不利工況下的荷載效率。

3.5 加載流程

3.5.1 預(yù)載

在正式加載開始之前，采用不低于2輛加載車輛在橋跨通行，實現(xiàn)加載跨的預(yù)壓，實現(xiàn)消除結(jié)構(gòu)非彈性變形的目的。預(yù)壓完成后進行場地清理，準備工作完成后，完成首次讀數(shù)。

3.5.2 加載與卸載

在全部加載完成之前，需要采取措施避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。加載可分3級加載進行，卸載分2級進行。荷載加載過程中，采用逐次遞增的方式進行加載，然后進行卸載直至完成卸載，對各級卸載下的關(guān)鍵參數(shù)的變化進行記錄和分析。為了減少溫差變化對荷載參數(shù)的影響，試驗過程中誤差不得超過5.0 ℃，盡量選擇在溫度相對穩(wěn)定的時間段，單個工況溫差變化控制在1 ℃。

3.5.3 測試方法與測點布置

撓度測試采用位移計的方式實施檢測，必要情況下可采用水準儀實現(xiàn)撓度的同步觀測。應(yīng)變測試采用振弦式應(yīng)變計進行測試，測試前后應(yīng)進行振弦式應(yīng)變計的校準，確保荷載試驗過程中應(yīng)變計的有效性。

4 靜載評定依據(jù)及評定結(jié)果

4.1 評定依據(jù)

為了實現(xiàn)對橋梁承載能力的檢測，目前主要采用校驗系數(shù)進行評價，具體如下。

校驗系數(shù)是評定橋梁技術(shù)狀況，評定結(jié)構(gòu)承載能力的關(guān)鍵參數(shù)。從定義分析，校驗系數(shù)為控制參數(shù)實測值與理論的比值，校驗系數(shù)一般要求η≤1。η值越小，表示結(jié)構(gòu)具有更大的安全儲備，如果過小則需要從多方面進行分析，目前主要是材料實際強度和彈性模量高、理論計算不考慮橋面鋪裝的共同受力等原因。η值過大，則表示結(jié)構(gòu)安全儲備不足，多是由于材料強度低、結(jié)構(gòu)連接性差等原因造成結(jié)構(gòu)的剛度較低。

4.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗工況和試驗方案，對于橋梁結(jié)構(gòu)承載情況進行靜載試驗，根據(jù)數(shù)據(jù)進行主梁撓度和主梁應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析。限于篇幅，文章僅考慮中載工況。

4.2.1 主梁撓度

對于邊跨跨中和主跨跨中主梁撓度進行理論值和計算值的對比分析，并得到了結(jié)構(gòu)豎向位移的校驗系數(shù)，具體如表1所示。

表1 橋梁靜載試驗豎向位移測試結(jié)果

通過對荷載試驗測試數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)在中載情況下，S1斷面和S3斷面位移校驗系數(shù)分別為0.78、0.58，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)范》（JTG/T J21—01—2015）不大于1的要求。

4.2.2 主梁應(yīng)變

對于邊跨跨中和主跨跨中主梁應(yīng)變進行理論值和計算值的對比分析，并得到了結(jié)構(gòu)主梁應(yīng)變的校驗系數(shù)，具體如表2所示。

表2 橋梁靜載試驗應(yīng)力測試結(jié)果

通過對荷載試驗測試數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)各測試斷面控制測點應(yīng)力校驗系數(shù)范圍為0.51~0.80，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)范》（JTG/T J21—01—2015）不大于1的要求。

5 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力是橋梁健康檢測的關(guān)鍵參數(shù)，因此需要對荷載試驗給予充分重視。依托某三跨連續(xù)梁橋項目，文章首先對橋梁外觀檢測方案進行了分析，然后對靜載試驗的車輛布載方案、試驗工況和荷載效率進行了分析，接著對加載車輛、加載和卸載流程進行了分析，最后依據(jù)評定標準從主梁撓度和主梁應(yīng)變方面進行了分析，結(jié)果顯示校驗系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。