張茵濤

(大西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，山西 太原　030027)

橋梁是地面交通的紐帶，其安全性對人們生命、財(cái)產(chǎn)安全有著重要意義。然而環(huán)境腐蝕作用、地基沉降、超負(fù)荷服役、施工缺陷等均不斷給橋梁安全帶來隱患，同時(shí)復(fù)雜的工作環(huán)境，使得橋梁結(jié)構(gòu)理論受力狀態(tài)與實(shí)際服役中受力狀態(tài)存在差異，因此現(xiàn)場原位試驗(yàn)對在役橋梁工作狀態(tài)的掌握有著重要價(jià)值[1]。

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)，是目前在役橋梁檢測中的一項(xiàng)重要檢測方法，通過在指定位置施加預(yù)期荷載的方式模擬實(shí)際工作狀態(tài)，并根據(jù)指定位置截面的應(yīng)力、撓度等參數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合理論分析結(jié)果，經(jīng)綜合對比研究可以得到橋梁的安全承載力，同時(shí)還可以找出一些難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽病害[2- 4]。

1　工程概況

一橋梁于2011年建成并投入使用至今。全橋共5跨，總長度為94.16 m，見圖1。橋面寬度為10 m。設(shè)計(jì)荷載等級為公路-Ⅰ級。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力箱梁，支座形式均為板式橡膠支座；下部結(jié)構(gòu)分別為柱式橋臺、樁基礎(chǔ)及蓋梁柱式墩、樁基礎(chǔ)。橋面結(jié)構(gòu)為18 cm 濕接縫、8 cm水泥混凝土調(diào)平層、10 cm瀝青混凝土鋪裝層。

圖1　橋梁布置示意(單位：m)

2　有限元分析

該橋計(jì)算分析采用空間有限元軟件MIDAS/Civil。該軟件對預(yù)應(yīng)力箱形梁橋、懸索橋、斜拉橋以及水化熱分析等土木建筑的分析中所需的各種功能作了綜合的考慮，適用于多種形式的橋梁分析與設(shè)計(jì)。

1)計(jì)算參數(shù)

設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級；

結(jié)構(gòu)材料：C50混凝土；

汽車荷載系數(shù)：1-1#梁橫向分布系數(shù)為0.598,1-2#梁橫向分布系數(shù)為0.607，縱向折減系數(shù)為1.0。

2)計(jì)算模型

主橋連續(xù)梁橋模型均采用空間梁單元模擬，全橋共離散為93個(gè)節(jié)點(diǎn)，92個(gè)單元。

3)活載包絡(luò)圖

根據(jù)上述荷載情況，分析得到活載作用下橋梁的彎矩包絡(luò)圖，可知邊跨跨中彎矩值最大。

3　靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是在計(jì)算位置施加靜荷載，并對控制截面的位移、應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行測試，從而對在役橋梁現(xiàn)狀荷載作用下的工作性能作出準(zhǔn)確的判斷與評價(jià)[5-6]。本次靜載試驗(yàn)的目的：通過實(shí)測控制截面的應(yīng)力、撓度，了解橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷與設(shè)計(jì)是否吻合，確定在役橋梁是否處于正常工作狀態(tài);通過有限元理論計(jì)算值與實(shí)測值的對比分析，判斷橋梁的承載力是否滿足要求；現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果為橋梁的日常維護(hù)、加固及改造提供必要的依據(jù)。

3.1　加載方式

本次試驗(yàn)選用32 t三軸汽車加載，并根據(jù)等效荷載效應(yīng)(包括應(yīng)力、應(yīng)變等)進(jìn)行加載控制。靜力荷載試驗(yàn)效率ηq為試驗(yàn)荷載與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)等效程度的參數(shù)，見公式(1)。由于在役橋梁長期處于復(fù)合受力狀態(tài)，且周邊環(huán)境對其影響較大，通常情況下對ηq取值要求較為嚴(yán)格，應(yīng)介于0.95～1.05之間[7]。

(1)

式中：S為靜力試驗(yàn)中控制斷面的最大荷載效應(yīng)；S′為設(shè)計(jì)荷載作用下相同截面的最不利荷載效應(yīng)；μ為規(guī)范規(guī)定的沖擊系數(shù)。

根據(jù)本工程特點(diǎn)選用不同車型進(jìn)行加載試驗(yàn)。加載車主要技術(shù)資料見表1。

表1　加載車主要技術(shù)資料

根據(jù)上述有限元模型計(jì)算結(jié)果，可以得到該橋梁的荷載效率，見表2。

表2　靜力荷載試驗(yàn)加載效率

3.2　加載過程

本次試驗(yàn)將采用分級加載方式進(jìn)行，共分為4級。進(jìn)行下一級加載前應(yīng)確保結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，并按照指定位置逐級加載。穩(wěn)定狀態(tài)的判定：加載后結(jié)構(gòu)控制截面的最大變位測點(diǎn)最后5 min內(nèi)的變位增量小于最初5 min變位增量的15%，則可以近似認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，且結(jié)構(gòu)加載趨于穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)長不應(yīng)小于15 min。

試驗(yàn)加載過程由專人統(tǒng)一指揮，及時(shí)掌握各方面情況，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析情況安全有序地實(shí)施加載計(jì)劃。

3.3　測點(diǎn)布置

結(jié)合本次試驗(yàn)?zāi)康募跋湫谓孛媪菏芰μ攸c(diǎn)，依據(jù)MIDAS/Civil分析所得內(nèi)力包絡(luò)圖，測點(diǎn)布置見圖2。其中1-1#梁～1-4#梁測點(diǎn)為撓度測點(diǎn)(與梁號相同)，1#～8#測點(diǎn)、11#～13#測點(diǎn)及21#～23#測點(diǎn)為應(yīng)力測點(diǎn)。

圖2　控制截面及測點(diǎn)布置(單位：cm)

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1　撓度

靜載試驗(yàn)滿載作用下得到該橋梁的撓度如圖3所示?？芍涸摌蛄哼吙缈缰懈鳈z測點(diǎn)的撓度實(shí)測值與計(jì)算值趨勢基本相同；沿主梁橫向?qū)崪y撓曲線較為平緩，在主梁斷面各位置無突變；實(shí)測撓曲線相比于理論撓曲線曲率較小。此外，實(shí)測撓度值均介于彈性撓度值與計(jì)算撓度值之間，可見卸載后該橋梁存在一定的殘余變形，相對殘余變形介于7.8%～9.2%之間，均小于20%。上述現(xiàn)象均表明在試驗(yàn)過程中各主梁協(xié)同受力，主梁橫向聯(lián)系較好，且相鄰主梁間橫向剛度大于理論計(jì)算值，該橋梁結(jié)構(gòu)在靜載試驗(yàn)過程中能夠較好的保持彈性工作狀態(tài)。

4.2　應(yīng)力

滿載作用下該橋梁下翼緣各測點(diǎn)的應(yīng)力分布情況如圖4所示。圖中各測點(diǎn)應(yīng)力值均為拉應(yīng)力(負(fù)值)，符合該橋梁的受力特性；滿載時(shí)實(shí)測應(yīng)力值、彈性應(yīng)力值及計(jì)算應(yīng)力值分布趨勢基本相同，且彈性應(yīng)力值與計(jì)算應(yīng)力值基本接近，且均小于滿載時(shí)實(shí)測應(yīng)力值。由此可知，卸載后各測點(diǎn)均存在一定的殘余應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算殘余應(yīng)力值介于7.8%～10.7%之間，均小于20%，故該橋梁控制截面下翼緣板能夠在試驗(yàn)過程中保持良好的彈性工作狀態(tài)。

圖4　下翼緣板底應(yīng)力測試結(jié)果

圖5　腹板應(yīng)力測試結(jié)果

滿載作用下該橋梁腹板各測點(diǎn)的應(yīng)力分布見圖5。腹板各測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力值基本小于計(jì)算應(yīng)力值，各測點(diǎn)在滿載作用下均處于彈性狀態(tài)；腹板各測點(diǎn)應(yīng)力曲線與腹板集合外形基本相同，且未出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求，截面形式合理。上述現(xiàn)象均說明該橋梁在滿載作用下，腹板能夠保持良好的彈性工作狀態(tài)。

上述應(yīng)力測試結(jié)果均表明，該橋梁各控制截面在滿載作用下能夠保持良好的彈性工作狀態(tài)，截面應(yīng)力均未出現(xiàn)凸顯現(xiàn)象，符合平截面假定的要求。

4.3　校檢系數(shù)

在役橋梁結(jié)構(gòu)工作性能評定中校檢系數(shù)ζ是一個(gè)重要的指標(biāo)。該指標(biāo)可以根據(jù)靜載試驗(yàn)中彈性變形指標(biāo)(包括應(yīng)力、應(yīng)變等)與相應(yīng)的理論計(jì)算值的比值確定[8-9]。計(jì)算公式為

(2)

式中：Se為試驗(yàn)荷載作用下主要測點(diǎn)的實(shí)測彈性變位或應(yīng)變值；Ss為試驗(yàn)荷載作用下測點(diǎn)的理論計(jì)算變位或應(yīng)變值。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)ζ<1時(shí)，則表示橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)良好，能夠滿足要求，且理論計(jì)算較保守，具備足夠安全儲備。

根據(jù)上述計(jì)算及實(shí)測結(jié)果，得到該橋梁的校檢系數(shù)如圖6所示?？梢钥闯鲂z系數(shù)均介于0.7～0.8之間，滿足相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)一步表明該橋梁具有足夠的安全儲備。

圖6　校檢系數(shù)分布情況

5　結(jié)論

為分析在役橋梁的承載能力，開展了在役橋梁撓度、應(yīng)力測量的靜載試驗(yàn)，分析了該在役橋梁現(xiàn)狀工作狀態(tài)，得到如下主要結(jié)論：

1)該橋靜力荷載試驗(yàn)荷載效率介于0.97～1.02之間，滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)表明試驗(yàn)荷載所產(chǎn)生的最不利效應(yīng)可反映設(shè)計(jì)規(guī)范基本可變荷載效應(yīng)的特征。

2)試驗(yàn)過程中各主梁協(xié)同受力，主梁橫向聯(lián)系較好，撓度、應(yīng)變曲線均平緩，且殘余變形均小于20%，表明該橋梁結(jié)構(gòu)在靜載試驗(yàn)過程中能夠較好的保持彈性工作狀態(tài)，且控制截面變形與平截面假定吻合。

3)實(shí)測的主梁控制截面校驗(yàn)系數(shù)在0.7～0.8之間，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和豎向剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，該在役橋梁工作性能良好，受力狀態(tài)與計(jì)算結(jié)果吻合，安全儲備較高。

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