基于靜載試驗(yàn)檢測(cè)的混凝土斜拉橋承載力評(píng)價(jià)

摘要 文章立足大寬度混凝土斜拉橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)難題，以某跨河特大橋工程為例，綜合應(yīng)用有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段，得出最不利加載工況；結(jié)合設(shè)計(jì)荷載彎矩包絡(luò)圖確定控制截面與測(cè)點(diǎn)位置，并根據(jù)最不利控制截面的內(nèi)力等效原則展開(kāi)等效靜載、加載位置的計(jì)算確定；對(duì)靜力荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)、承載力及結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)展開(kāi)分析，并對(duì)測(cè)試截面應(yīng)變、位移等實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較。檢測(cè)結(jié)果可為橋梁承載力評(píng)價(jià)及維修加固提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 靜載試驗(yàn)；檢測(cè)；混凝土斜拉橋；承載力；評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào) U446.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0111-04

0 引言

靜載試驗(yàn)主要向待測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)施加分級(jí)荷載，通過(guò)儀器監(jiān)測(cè)控制截面應(yīng)力、撓度及裂縫變化程度，將監(jiān)測(cè)值和理論值（或規(guī)范值）進(jìn)行比較，得到橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。與動(dòng)載試驗(yàn)相比，靜載試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)便，對(duì)交通運(yùn)行影響時(shí)間短、范圍小，能快速得出橋梁結(jié)構(gòu)承載力及運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試結(jié)果?；诖?，該文以具體橋梁為例，對(duì)靜載試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果展開(kāi)分析探討，得出橋梁承載力檢測(cè)結(jié)果，為橋梁運(yùn)行狀況的評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

1 工程概況

某跨河特大橋全長(zhǎng)0.958 km，主橋和引橋橋面寬37.6 m和33.5 m，橋跨按照2×40 m+（40 m+110 m+320 m+110 m+40 m）+（40 m+42 m+42 m）+3×42 m布置。主橋?yàn)殡p塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋形式，主梁為C55預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋面按2%設(shè)置橫坡；邊箱底板寬4 m，主梁中心高3.2 m；主梁標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)6 m，頂?shù)装搴?.3 m和0.4 m，腹板厚0.5 m，斜底板厚0.3 m。

該橋梁于2011年建成運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中隨著交通量的持續(xù)增大，梁底和橋面先后出現(xiàn)破損、開(kāi)裂，橋梁管理部門(mén)于2022年10月展開(kāi)橋梁檢測(cè)與承載力評(píng)價(jià)，主要檢查橋梁損傷程度、類(lèi)型、病害特征，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果推測(cè)橋梁實(shí)際承載力、運(yùn)行狀態(tài)及安全等級(jí)，為養(yǎng)護(hù)處治提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)梁模型的建立

2.1 模型構(gòu)建

結(jié)合對(duì)該混凝土斜拉橋病害的檢測(cè)結(jié)果，第14聯(lián)83～89跨為其最不利梁區(qū)段，故應(yīng)用Midas Civil有限元軟件構(gòu)建試驗(yàn)梁分析模型。根據(jù)試驗(yàn)梁特點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)和單元建立時(shí)必須確保單元與縱橫梁中心線重合，在縱梁向以1.5 m為1個(gè)單元，按照橫向尺寸進(jìn)行橫向單元?jiǎng)澐?sup>[1]。按照這一思路，共構(gòu)建起831個(gè)單元和458個(gè)節(jié)點(diǎn)。

各墩頂橫隔梁和縱梁均采用C50混凝土材料，對(duì)材料彈性模量、泊松比、容重、線膨脹系數(shù)等特征值進(jìn)行定義。各種混凝土材料所使用的水泥強(qiáng)度、運(yùn)行環(huán)境、收縮齡期等不盡相同，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行定義。

該文以該混凝土斜拉橋上部荷載參數(shù)展開(kāi)分析，通過(guò)構(gòu)建有限元模型分析。在橋梁下部支座設(shè)計(jì)中，利用一般支撐取代上部結(jié)構(gòu)各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)約束條件^[2]。

根據(jù)建設(shè)的分析模型，從研究方面出發(fā)進(jìn)行如下兩個(gè)荷載分析：一是結(jié)構(gòu)混凝土自重荷載數(shù)據(jù)，按2.6 t/m³取值；二是移動(dòng)荷載，按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展移動(dòng)荷載計(jì)算確定，確定移動(dòng)荷載車(chē)輛和工況。

2.2 控制截面理論分析計(jì)算

應(yīng)用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件采用精度較高的梁格法^[3]構(gòu)建試驗(yàn)區(qū)段模型，并對(duì)試驗(yàn)段橋梁結(jié)構(gòu)受力展開(kāi)理論分析。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)荷載彎矩包絡(luò)圖進(jìn)行試驗(yàn)橋梁段三個(gè)最不利受力截面，分別為83跨近跨中的A截面、83#墩頂B截面、84跨跨中的C截面。

3 靜載試驗(yàn)過(guò)程

3.1 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

撓度測(cè)試截面布置：在邊跨截面橫橋向設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，布置3個(gè)撓度檢測(cè)部位，利用光學(xué)水準(zhǔn)儀測(cè)定撓度參數(shù)；主跨橫橋向左、右幅、中央側(cè)分別設(shè)置一條測(cè)線，總計(jì)21個(gè)點(diǎn)位，獲取準(zhǔn)確的撓度數(shù)據(jù)。

應(yīng)變測(cè)試截面布置：在各橋墩墩頂最大負(fù)彎矩截面布置應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試斷面。

3.2 試驗(yàn)加載

3.2.1 加載車(chē)輛

該橋梁采用超-20，掛-120的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，根據(jù)移動(dòng)荷載、靜載在最不利控制截面形成內(nèi)力基本相同的標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元模型分析等效靜載車(chē)輛與布載分布。按照如下原則加載：

（1）盡量在加載車(chē)輛少的一側(cè)進(jìn)行靜載試驗(yàn)分析。

（2）為縮短對(duì)車(chē)道的占用時(shí)間，應(yīng)在每一工況加載時(shí)對(duì)該工況車(chē)輛加載位置二次利用，減少車(chē)輛移動(dòng)。

（3）車(chē)輛加載時(shí)應(yīng)以達(dá)到具體加載項(xiàng)目測(cè)試為主要目的。

按照以上原則，擬定出以下幾種工況：

工況1：近跨中主梁A截面最大正彎矩加載試驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件及等代效應(yīng)要求，通過(guò)4輛34 t的重車(chē)展開(kāi)加載，并分兩次進(jìn)行；滿(mǎn)載后持荷0.5～1 h，一次卸荷后持續(xù)觀測(cè)0.5～1 h，此后進(jìn)行主梁截面撓度和應(yīng)變值檢測(cè)。

工況2：墩頂主梁B截面最大正彎矩加載試驗(yàn)。通過(guò)有限元軟件展開(kāi)分析，通過(guò)在最不利截面彎矩等效原則開(kāi)展試驗(yàn)分析，通過(guò)4輛34 t的重車(chē)分3級(jí)加載；待滿(mǎn)載后加載車(chē)輛在加載位置停留30～60 min，此后卸載；等受力穩(wěn)定后由應(yīng)變儀檢測(cè)主梁截面應(yīng)變。

工況3：跨中主梁C截面最大正彎矩加載試驗(yàn)。即通過(guò)4輛34 t的重車(chē)展開(kāi)加載，待加載至滿(mǎn)載狀態(tài)后試驗(yàn)車(chē)輛原位停留30～60 min，此后卸除荷載，進(jìn)行主梁截面撓度與應(yīng)變測(cè)試。

以上幾種工況下所使用的試驗(yàn)車(chē)輛依次編號(hào)為1#試車(chē)、2#試車(chē)、3#試車(chē)和4#試車(chē)，車(chē)牌號(hào)分別為粵AD5102、粵AD54PC、粵AQ437R、粵AQ36D1；全部試車(chē)前軸距均為3.2 m，后軸距均為1.35 m，前輪距為2 m，后輪距為1.8 m，前軸重68 kN，后軸重272 kN，總重量340 kN。

3.2.2 加載效率

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，為了使得靜力荷載試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到應(yīng)有效果，并能根據(jù)設(shè)計(jì)荷載開(kāi)展最不利控制截面結(jié)構(gòu)相應(yīng)分析，需要將驗(yàn)收荷載試驗(yàn)效率進(jìn)行確定，將其處于0.85～1.05之間，將鑒定性試驗(yàn)效率系數(shù)取值控制在0.95～1.05之間。靜力荷載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)^[4]按下式計(jì)算：

式中，η_q——靜力荷載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)；S_s——按設(shè)計(jì)荷載等效的試驗(yàn)靜載在最不利截面產(chǎn)生的最大變形或內(nèi)力；S——設(shè)計(jì)荷載在最不利截面產(chǎn)生的最大變形或內(nèi)力；μ——試驗(yàn)沖擊系數(shù)。

結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行分析，該次混凝土斜拉橋靜力荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)表1。分析表內(nèi)數(shù)據(jù)信息，靜載試驗(yàn)荷載效率取值應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，執(zhí)行設(shè)計(jì)荷載等效試驗(yàn)靜載最不利截面形成的影響要素與設(shè)計(jì)荷載在相同截面的最不利影響是基本相同的，說(shuō)明應(yīng)用等效靜載所評(píng)估的橋梁工作性能、受力特性等切實(shí)合理。

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

為降低溫度變化對(duì)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果的影響，靜載試驗(yàn)安排在2022年10月22日晚間23：00至次日凌晨4：00之間展開(kāi)，試驗(yàn)歷時(shí)5 h，試驗(yàn)期間環(huán)境溫度變化不超出2 ℃，故溫度的影響可忽略不計(jì)。

4.1 各控制截面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)橋車(chē)輛荷載分級(jí)加載得出的各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比，展開(kāi)混凝土斜拉橋?qū)嶋H受力以及剛度和強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求的分析。

4.1.1 主梁A截面測(cè)試結(jié)果

受到等效荷載分級(jí)加載作用后該截面各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值和計(jì)算值匯總見(jiàn)表2，表中“+”表示上翹，“?”表示下?lián)?。主梁A截面滿(mǎn)載狀態(tài)下靜力荷載試驗(yàn)效率最大部位L3測(cè)點(diǎn)處撓度實(shí)測(cè)值為5.13 mm，卸荷后殘余撓度為

0.12 mm，彈性撓度5.04 mm，結(jié)構(gòu)應(yīng)變理論值為5.21 mm，校驗(yàn)系數(shù)0.95，相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.34%。所有測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)取值均不超出1；最大相對(duì)殘余應(yīng)變實(shí)測(cè)值取17.41%，未超出20%的規(guī)范要求；滿(mǎn)載情況下各測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)與相對(duì)殘余應(yīng)變值均符合試驗(yàn)規(guī)程，表明該斜拉橋處于線彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度較好并存在一定富余。

受到等效荷載分級(jí)作用后，主梁A截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比情況見(jiàn)表3，表中“+”表示拉應(yīng)變，“?”表示壓應(yīng)變。根據(jù)表中結(jié)果，主梁結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)載狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)Y-1試驗(yàn)效率最大，實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)?29.1 με，卸荷后殘余應(yīng)變降至14.9 με，實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變?yōu)?12.8 με，理論應(yīng)變?yōu)?31.7 με，校驗(yàn)系數(shù)取0.86，相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?1.85%。各個(gè)點(diǎn)位的校驗(yàn)系數(shù)與相對(duì)參與應(yīng)變發(fā)生較大變化，但是都達(dá)到要求，說(shuō)明斜拉橋?yàn)榫€性彈性變化條件，剛度性能較好，具備一定安全裕量。

4.1.2 主梁B截面測(cè)試結(jié)果

受到等效荷載分級(jí)作用后，該截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比情況見(jiàn)表4，表中“+”表示拉應(yīng)變，“?”表示壓應(yīng)變。根據(jù)表中結(jié)果，主梁結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)載狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)Y-1試驗(yàn)效率最大，實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)?10.9 με，卸荷后殘余應(yīng)變降至13.1 με，實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變?yōu)?8.7 με，理論應(yīng)變?yōu)?24 με，校驗(yàn)系數(shù)取0.8，相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?1.64%。各個(gè)點(diǎn)位的校驗(yàn)系數(shù)與相對(duì)參與應(yīng)變發(fā)生較大變化，但是都達(dá)到要求，說(shuō)明斜拉橋?yàn)榫€性彈性變化條件，剛度性能較好，具備一定安全裕量。

4.1.3 主梁C截面測(cè)試結(jié)果

在等效荷載分級(jí)加載作用下此截面測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值和計(jì)算值見(jiàn)表5，表中“+”表示上翹，“?”表示下?lián)?。該截面滿(mǎn)載狀態(tài)下靜力荷載試驗(yàn)效率最大部位C3測(cè)點(diǎn)處撓度實(shí)測(cè)值為1.38 mm，卸荷后殘余撓度為0.242 mm，彈性撓度1.114 mm，結(jié)構(gòu)應(yīng)變理論值為1.29 mm，校驗(yàn)系數(shù)0.83，相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?7.42%。各測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)值和相對(duì)殘余應(yīng)變實(shí)測(cè)值均符合要求，表明結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度好，存在一定安全富余。

在等效荷載分級(jí)作用后，該截面實(shí)測(cè)應(yīng)變和計(jì)算應(yīng)變對(duì)比情況見(jiàn)表6，表中“+”表示拉應(yīng)變，“?”表示壓應(yīng)變。根據(jù)結(jié)果，主梁結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)載狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)Y-1試驗(yàn)效率最大，實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)?04.8 με，卸荷后殘余應(yīng)變降至11.9 με，實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變?yōu)?4.2 με，理論應(yīng)變?yōu)?08.1 με，校驗(yàn)系數(shù)取0.87，相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?1.84%。各測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)值和相對(duì)殘余應(yīng)變實(shí)測(cè)值均符合要求，該結(jié)構(gòu)也處于線彈性工作狀態(tài)，剛度好，安全富余大。

4.2 裂縫分析

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362—2018）中的相應(yīng)條款的要求，展開(kāi)混凝土斜拉橋的裂縫寬度參數(shù)的測(cè)量。該橋梁運(yùn)行環(huán)境屬于Ⅰ類(lèi)^[5]，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，開(kāi)始到結(jié)束各個(gè)變形部位上最不利截面均沒(méi)有發(fā)生加載裂縫，說(shuō)明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合試驗(yàn)規(guī)程。

5 結(jié)論

該文應(yīng)用Midas Civil有限元軟件展開(kāi)分析，構(gòu)建分析模型，進(jìn)行某混凝土斜拉橋最不利試驗(yàn)路段模型靜力荷載試驗(yàn)，利用設(shè)計(jì)荷載彎矩包絡(luò)圖來(lái)確定最不利控制截面，根據(jù)等效原則分析確定試車(chē)靜載與加載的部位，這些都會(huì)給靜載試驗(yàn)提供幫助。試驗(yàn)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，該次混凝土斜拉橋各個(gè)點(diǎn)位的靜力荷載相對(duì)參與變形在20%以?xún)?nèi)，表示處于彈性作業(yè)狀態(tài)；各個(gè)點(diǎn)位校驗(yàn)數(shù)據(jù)在1以?xún)?nèi)，表明橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度和強(qiáng)度均優(yōu)于理論水平，橋梁實(shí)際承載力滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，橋梁運(yùn)行狀態(tài)良好。

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收稿日期：2023-10-15

作者簡(jiǎn)介：彭軍（1985—），男，大專(zhuān)，工程師，從事工程檢測(cè)工作。