劉世建 卓小麗 楊雨厚

（廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007）

在橋梁施工過(guò)程中，橋梁主要承重結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、承載能力不明確時(shí)，承載力試驗(yàn)研究具有重要意義。橋梁承載能力試驗(yàn)評(píng)估方法多種多樣，主要有結(jié)構(gòu)檢算法、荷載試驗(yàn)法、基于可靠理論的方法、實(shí)橋調(diào)查分析法、專家經(jīng)驗(yàn)法等[1-3]。近年來(lái)，黃雪欽通過(guò)荷載試驗(yàn)方法對(duì)空腹式雙曲拱橋承載能力進(jìn)行了研究[4]；趙曉輝等人對(duì)凝土梁采用體外預(yù)應(yīng)力加固后結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行了研究[5]；葛東云利用分段處理法改進(jìn)了加筋板軸壓極限承載的工程算法，并應(yīng)用于實(shí)際工程[6-7]。然而，這些方法主要適用剛剛建成或服役期內(nèi)的橋梁，理論方式對(duì)裂縫的模擬與實(shí)際情況吻合不佳，成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力顯然與施工各階段有關(guān)，不同施工階段結(jié)構(gòu)的受力各不相同，如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)施工階段出現(xiàn)裂縫的橋梁承載力是否滿足要求，是我們需要研究的一個(gè)方向。本文對(duì)一工程實(shí)例中的荷載試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，基于相關(guān)規(guī)范要求，通過(guò)對(duì)橋面鋪裝層未施工狀態(tài)下橋梁混凝土強(qiáng)度、剛度及荷載作用下裂縫發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合規(guī)范限值，對(duì)裂縫變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。得到了一種帶裂縫現(xiàn)澆箱梁承載力試驗(yàn)的等效加載方法。有助于準(zhǔn)確判斷施工裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度，對(duì)于施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)施工裂縫后的快速反應(yīng)提供了一個(gè)新的思路，保障了橋梁施工階段安全、提高了經(jīng)濟(jì)效益。

一、背景工程

某市政橋梁位于某市的中歐產(chǎn)業(yè)園，南北走向，1#跨和2#跨依次跨越一條二級(jí)公路和一條高速。橋梁為左右幅結(jié)構(gòu)分離的等截面箱梁橋，單幅橋?qū)?.50m，兩幅之間凈距0.50m。橋梁跨徑總長(zhǎng)111.40m，上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為（28.9+35.0+24.0+23.5）m，為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁（支架現(xiàn)澆），單箱單室，梁高1.7m，梁體混凝土為C50。橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)；橋墩采用鋼筋混凝土方柱墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝采用8cm厚C50混凝土＋防水層＋9cm瀝青混凝土。支座采用盆式支座，1#和4#橋臺(tái)橋面處各設(shè)置一道E-80型伸縮縫?；炷料淞簷M斷面布置如圖1。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：城-A級(jí)；

（2）單幅橋?qū)挷贾茫?.50m=0.50m（防撞護(hù)欄）+7.50m（行車道）+0.50m（防撞護(hù)欄）；

（3）橋面橫坡：雙向2.0%。

橋梁在完成箱梁混凝土澆筑、張拉了箱梁預(yù)應(yīng)力筋后，發(fā)現(xiàn)箱梁頂板的頂面出現(xiàn)的較多網(wǎng)狀裂縫，左右幅均有，縫寬0.04～0.20mm之間，縫深大多在1.0～2.5cm范圍，個(gè)別縫深達(dá)到4.0cm，分布沒(méi)有規(guī)律。箱梁分兩次澆筑，第一次澆筑的底板和腹板，第二次澆筑頂板，底板和腹板未出現(xiàn)裂縫。初步判斷，因水泥供貨緊張，澆筑箱梁頂板的水泥剛生產(chǎn)出來(lái)就運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)拌合站，水泥本身的溫度還較高，未完成達(dá)到安定期，就進(jìn)行拌合澆筑，加上隨后的養(yǎng)護(hù)工作也沒(méi)到位，以致頂板出現(xiàn)較多網(wǎng)狀裂縫?，F(xiàn)澆箱梁裂縫出現(xiàn)后，采用回彈法、鉆芯取樣方法對(duì)箱梁底板和腹板混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)，混凝土強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)需要確定頂板開(kāi)裂后，橋梁的承載能力是否還滿足設(shè)計(jì)荷載城-A級(jí)的要求，才能進(jìn)行后續(xù)的橋面鋪裝和護(hù)欄的施工，用荷載試驗(yàn)是最有效最直接的驗(yàn)證方法。

圖1 現(xiàn)澆箱梁橫截面布置示意圖（單位：cm，試驗(yàn)時(shí)鋪裝層和護(hù)欄未施工）

二、試驗(yàn)評(píng)估方法

（一）試驗(yàn)評(píng)估依據(jù)

本項(xiàng)目工程屬于城市橋梁，根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233-2015）的規(guī)定，鑒定性荷載試驗(yàn)，靜力荷載試驗(yàn)效率應(yīng)大于或等于0.95，且不得大于1.05，靜力荷載試驗(yàn)效率按下式計(jì)算[8-9]：

（1）中：ηs— 靜力荷載試驗(yàn)效率；

Sstat—在加載重車荷載作用下，試驗(yàn)控制截面的最大彎矩；

Sg—橋面鋪裝層和護(hù)欄恒載作用下，試驗(yàn)控制截面的彎矩；

Sk—汽車荷載作用下，控制截面的彎矩（未包括汽車沖擊力產(chǎn)生的彎矩）；

μ—設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)。

（二）有限元計(jì)算

選取有網(wǎng)裂較嚴(yán)重的的東福1#和2#跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)，以判斷箱梁整體和開(kāi)裂處局部承載能力是否滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。采用配重卡車進(jìn)行等效加載，箱梁整體承載力以彎矩作為控制參數(shù)，裂縫處局部以裂縫的實(shí)際加載變化情況來(lái)分析[10-11]。試驗(yàn)時(shí)橋面鋪裝層中8cm厚C50混凝土調(diào)平層和9cm厚瀝青混凝土、防撞護(hù)欄均尚未施工，因此，試驗(yàn)的等效彎矩計(jì)算效應(yīng)值除包含汽車荷載外，也需包含橋面鋪裝和防撞護(hù)欄等效彎矩值。

如圖2所示，采用限元軟件MIDAS/Civil對(duì)1#跨～4#跨進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，全橋共建立379個(gè)節(jié)點(diǎn)，366個(gè)梁?jiǎn)卧瑥椥赃B接模擬墩柱與主梁之間的約束，活動(dòng)鉸支座設(shè)置于1#墩，其它支座為固定鉸支座。設(shè)計(jì)活載作用下結(jié)構(gòu)豎向變形及箱梁下緣應(yīng)力情況見(jiàn)圖3和圖4，其中結(jié)構(gòu)豎向撓度最大為-14.12mm,下緣最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為6.33MPa和-5.23MPa，根據(jù)公式（1），即在承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)需要達(dá)到相應(yīng)設(shè)計(jì)活載作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)值。

圖2 東幅（1#跨～4#跨）有限元模型示意圖

圖3 東幅（1#跨～4#跨）設(shè)計(jì)活載作用下豎向撓度計(jì)算圖

圖4 東幅（1#跨～4#跨）設(shè)計(jì)活載作用下箱梁下緣應(yīng)力計(jì)算圖

（三）試驗(yàn)評(píng)估內(nèi)容

1.荷載試驗(yàn)工況

荷載試驗(yàn)安排6個(gè)試驗(yàn)工況，包括正載、偏載和箱梁頂板該跨較寬裂縫處局部加載工況，其中偏載工況偏于路線東側(cè)?？刂平孛娌贾靡?jiàn)圖5，各工況及加載效率見(jiàn)表1。

表1 荷載試驗(yàn)工況及靜力荷載試驗(yàn)效率表

圖5 東幅1#跨和2#跨試驗(yàn)控制截面布置示意圖（單位：cm）

2.撓度測(cè)點(diǎn)

撓度測(cè)點(diǎn)布置在橋面，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)?？v橋向布置在試驗(yàn)跨的四分點(diǎn)，1#跨控制截面A1也作為撓度測(cè)試截面。橫橋向考慮箱梁剛度較大，在左右側(cè)各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)?？v橋向撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖6，縱橋向撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖7。

圖6 撓度測(cè)點(diǎn)縱向布置示意圖（單位：cm）

圖7 撓度測(cè)點(diǎn)橫向布置示意圖（單位：cm，試驗(yàn)時(shí)鋪裝層和護(hù)欄未施工）

3.應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在橋梁底部，采用自帶溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片進(jìn)行測(cè)試?？v橋向布置在試驗(yàn)跨的控制截面A1、Z1和A2處，如圖5。橫橋向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖8。

圖8 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)橫向布置示意圖（單位：cm，試驗(yàn)時(shí)鋪裝層和護(hù)欄未施工）

4.裂縫測(cè)點(diǎn)

在控制截面A1和A2附近各標(biāo)記5條有代表性的裂縫，在相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工況加載時(shí)，觀測(cè)其是否有擴(kuò)展，并檢查控制截面附近是否有新的裂縫出現(xiàn)。

在試驗(yàn)跨跨中附近各選取一條縫寬在0.15mm以上、縫深接近4.0cm的縱向裂縫，分別編號(hào)為L(zhǎng)F1和LF2，試驗(yàn)時(shí)利用既定重車縱向布置，軸重20噸的其中一輪位直接加載于裂縫處，采用裂縫測(cè)寬儀對(duì)縫寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，判斷裂縫擴(kuò)展和恢復(fù)情況滿足規(guī)范要求，測(cè)點(diǎn)布置如圖9。

三、試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果分析

（1）撓度測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)最不利原則，對(duì)受力相對(duì)不利的1#跨進(jìn)行分析。如圖10，在各試驗(yàn)工況下，控制截面撓度的校驗(yàn)系數(shù)在0.654～0.669之間，均小于1.0，說(shuō)明試驗(yàn)跨的整體剛度滿足要求；且各工況下最大相對(duì)殘余撓度為6.5%，小于20%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在等效荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)。

圖9 裂縫測(cè)點(diǎn)布置圖

圖10 工況1和工況2滿載時(shí)撓度校驗(yàn)系數(shù)圖

（2）應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

如圖11，在各試驗(yàn)試驗(yàn)工況下，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算出控制截面應(yīng)變平均值的校驗(yàn)系數(shù)，其值在0.665～0.798之間，均小于1.0，說(shuō)明試驗(yàn)跨的整體強(qiáng)度滿足要求；且各工況下最大相對(duì)殘余應(yīng)變分別為3.5%，遠(yuǎn)小于20%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在等效荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)。

圖11 各工況滿載時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)圖

（3）裂縫變化情況分析

各工況1～工況4加載過(guò)程中，控制截面附近標(biāo)記的裂縫未見(jiàn)擴(kuò)展，同時(shí)未見(jiàn)有新的裂縫產(chǎn)生。工況4下的LF1和工況5下的LF2變化情況見(jiàn)表2?？紤]裂縫為非受力裂縫，其縫寬未超過(guò)0.20mm，加載時(shí)裂縫寬度變化微小，卸載后恢復(fù)原狀，縫寬和縫長(zhǎng)均未擴(kuò)展。因此，裂縫測(cè)試結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表2 工況4下的LF1和工況5下的LF2變化情況表

四、結(jié)論

本文采用重卡車對(duì)網(wǎng)裂較嚴(yán)重的東幅1#跨和2#跨進(jìn)行等效加載試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)橋面鋪裝層未施工狀態(tài)下橋梁混凝土強(qiáng)度、剛度及荷載作用下裂縫發(fā)展趨勢(shì)的評(píng)估研究得到了一些有益結(jié)論：

（1）在各試驗(yàn)工況下，各對(duì)應(yīng)的控制截面以及各測(cè)試截面撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，說(shuō)明箱梁的整體剛度滿足要求；各控制截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值以及應(yīng)變平均值的校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，說(shuō)明箱梁整體強(qiáng)度滿足要求；所有工況下最大相對(duì)殘余撓度和最大相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在等效荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)；（2）在箱梁整體性的試驗(yàn)工況下，箱梁表面裂縫長(zhǎng)度未見(jiàn)擴(kuò)展，沒(méi)有新的裂縫產(chǎn)生；裂縫在局部加載工況下，裂縫的動(dòng)態(tài)變化滿足規(guī)范要求；（3）橋面鋪裝層未施工狀態(tài)下橋梁的承載能力確定時(shí)，通過(guò)等效加載的方式代替設(shè)計(jì)荷載，這種方法易于實(shí)現(xiàn)，且偏于安全；（4）帶裂縫現(xiàn)澆箱梁承載力試驗(yàn)的等效加載方法，有助于準(zhǔn)確判斷施工裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響、提高施工安全及經(jīng)濟(jì)效益。