蘇躍華，牛昌林，李喜梅

（1.甘肅省建設(shè)投資（控股）集團(tuán)總公司，甘肅 蘭州730050；2.甘肅建投科技研發(fā)有限公司，甘肅 蘭州730050；

3.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)工程研究中心，甘肅 蘭州730050）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸量與日俱增，橋梁作為交通的樞紐工程，其重要性不言而喻。為確保橋梁結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定，在竣工驗(yàn)收時(shí)一定要依據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。通過對(duì)橋梁進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)及承載力鑒定，可以全面掌握橋梁的結(jié)構(gòu)形式及尺寸、橋梁結(jié)構(gòu)材料的使用性能、橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和安全儲(chǔ)備，評(píng)定橋梁技術(shù)狀況，建立起完整的橋梁技術(shù)檔案資料，監(jiān)控橋梁運(yùn)營(yíng)狀況，控制橋梁病害的發(fā)展[1]。通過橋檢測(cè)對(duì)橋梁狀態(tài)做出評(píng)估，可為橋梁工程管理提供科學(xué)依據(jù)與參考，為保障橋梁的安全運(yùn)行提供條件[2]。

橋梁檢測(cè)的常用方法有：無損傷檢測(cè)法、半損傷檢測(cè)法、半損傷和無損傷綜合使用法、荷載試驗(yàn)法。近年來，混凝土強(qiáng)度的無損傷檢測(cè)仍然采用強(qiáng)度回彈法和超聲法[3]；而荷載試驗(yàn)包括動(dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)兩部分[4]，其中的靜載試驗(yàn)?zāi)軌蚩疾鞓蛄旱膶?shí)際工作狀態(tài)和承載能力，所獲取的結(jié)果最為可靠且最為直觀[5]。為了保障公路橋梁的質(zhì)量，尤其是采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的橋梁質(zhì)量，交通部頒布的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H10—2009）明確規(guī)定，必須判斷橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力，檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。本文將結(jié)合某鋼-混組合梁橋靜載試驗(yàn)，對(duì)橋梁檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的探討，重點(diǎn)分析靜載試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，為橋梁檢測(cè)提供參考。

1 工程概況

某連續(xù)鋼-混組合梁橋，跨徑組合：35m+35m+35 m=105 m，單幅橋?qū)?2 m，全寬24 m，正交布置。橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩采用墩柱式橋墩，樁基礎(chǔ)樁徑1.5m，橋臺(tái)采用一字式臺(tái)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑1.2m。場(chǎng)地內(nèi)地形北高南低，場(chǎng)地及周邊無區(qū)域性斷層經(jīng)過，受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造的影響較小。某連續(xù)鋼-混組合梁橋立面圖見圖1。

圖1 某連續(xù)鋼-混組合梁橋立面圖（單位：mm）

2 檢測(cè)方法、加載工況及傳感器布置位置

本次檢測(cè)選用的方法是靜載試驗(yàn)。橋梁靜載試驗(yàn)是按照預(yù)定的試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)方案，將靜力荷載作用在橋梁上的指定位置，觀測(cè)橋梁的位移、應(yīng)變、開裂裂縫、沉降等試驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和規(guī)程的評(píng)定指標(biāo)，判定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和正常使用性能。

2.1 靜載試驗(yàn)加載原則

由《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）可知，橋梁的靜力測(cè)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)靜載荷載試驗(yàn)效率η 來確定試驗(yàn)的最大荷載。靜載荷載試驗(yàn)效率η 的計(jì)算公式為：式中：Si為試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)部位變形或內(nèi)力的計(jì)算值；Sd為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，檢測(cè)部位變形或內(nèi)力的計(jì)算值；1+μ 為設(shè)計(jì)取用的動(dòng)力系數(shù)。

設(shè)計(jì)內(nèi)力Sd是依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)荷載采用Midas-Civil軟件計(jì)算出的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力。對(duì)于驗(yàn)收性荷載試驗(yàn)，荷載效率η 宜取0.85~1.05；對(duì)于鑒定性荷載試驗(yàn)，荷載效率η 宜取0.95~1.05。

2.2 加載方案

本次荷載試驗(yàn)主要采用車輛荷載進(jìn)行加載，車輛荷載加載的優(yōu)點(diǎn)是便于運(yùn)輸和加載卸載方便迅速。正式加載前，對(duì)試驗(yàn)橋梁進(jìn)行了預(yù)加載。為減少溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，本次加載時(shí)間選擇在溫度較為穩(wěn)定的22點(diǎn)以后。

2.3 加載工況和測(cè)點(diǎn)布置

本文在理論分析的基礎(chǔ)上確定試驗(yàn)的控制荷載和施加位置。連續(xù)梁橋控制截面：應(yīng)變的監(jiān)測(cè)部位選取一般是在中跨跨中截面、中支點(diǎn)截面、近中支點(diǎn)的邊跨跨中截面；撓度的控制截面分別為邊跨跨中截面、中跨支點(diǎn)截面和中跨跨中截面[6]。各控制截面彎矩影響線如圖2所示[7]。

圖2 控制截面彎矩影響線

本次靜載試驗(yàn)針對(duì)截面最不利情況加載，車輛應(yīng)當(dāng)盡可能接近內(nèi)力影響線最大的地方，橋梁的下游幅參與試驗(yàn)。根據(jù)圖2，荷載試驗(yàn)考慮6種工況，如表1所示。

表1 下游幅荷載工況

測(cè)點(diǎn)布置原則上滿足鑒定橋梁承載力可靠度的要求，選擇能反映橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)和最不利受力截面。截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置與撓度測(cè)點(diǎn)布置見圖3、圖4。

圖3 下游幅應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖4 下游幅位移測(cè)點(diǎn)布置

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜載試驗(yàn)有限元模型的建立

試驗(yàn)對(duì)象確定后，對(duì)試驗(yàn)跨進(jìn)行理論分析計(jì)算。理論分析計(jì)算是加載方案、觀測(cè)方案和試驗(yàn)跨性能評(píng)價(jià)的依據(jù)，包括試驗(yàn)跨的設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算和試驗(yàn)荷載效應(yīng)計(jì)算兩方面。

設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算是依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)荷載，采用Midas-Civil軟件計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)力。試驗(yàn)荷載效應(yīng)計(jì)算是在設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定加載位置和車輛數(shù)量的過程。由于橋梁靜載試驗(yàn)是鑒定荷載試驗(yàn)，原則上應(yīng)盡量采用與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載相同的荷載，但由于客觀因素的存在，實(shí)際采用的試驗(yàn)荷載往往與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載不一致。為保證試驗(yàn)效果，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》要求，靜載荷載試驗(yàn)效率宜取0.95~1.05。

考慮到設(shè)計(jì)荷載一般按車道荷載施加，而試驗(yàn)荷載是車輛車輪點(diǎn)式加載的方式，有限元模型處理的時(shí)候，通常在試驗(yàn)荷載的有限元模型上建立一板單元，以方便加載。利用Midas-Civil橋梁分析軟件建立的計(jì)算模型見圖5。

3.2 試驗(yàn)資料的整理

靜載試驗(yàn)后，需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行去粗存真和去偽存真的整理分析，使其能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析除了包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和整理外，還包括對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法的取用。

一般情況下，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段時(shí)，測(cè)試值直接等于加載時(shí)讀數(shù)減去初讀數(shù)。對(duì)于測(cè)試值的計(jì)算，應(yīng)該注意測(cè)試值修正、測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算、支點(diǎn)沉降影響的修正和荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算等。

對(duì)于測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，是按結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)時(shí)遵守胡克定律，利用試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變按照式（2）計(jì)算：

式中：σ 為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力；E為構(gòu)件材料的彈性模量；ε為測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值。

在單向應(yīng)力狀態(tài)按主應(yīng)力方向布置直角應(yīng)變花時(shí)，則主應(yīng)力σ 為：

式中：υ 為泊松比；E為混凝土彈性模量。

在平面應(yīng)力狀態(tài)下，已知主應(yīng)力方向，采用圖6中的形式，則主應(yīng)力的求解為式（4）、式（5）。

式中：εa、εb為相互垂直方向的主應(yīng)變；σa、σb為相互垂直方向的主應(yīng)力。

在平面應(yīng)力狀態(tài)下，主應(yīng)力方向未知，采用圖6形式，則測(cè)點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力σmax、σmin如下：

圖6 常見應(yīng)變花的形式

在平面應(yīng)力狀態(tài)下，主應(yīng)力方向未知，采用圖6所示形式進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，則測(cè)點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力如下：

式中：τmax為測(cè)點(diǎn)最大剪力；φ 為最大主應(yīng)力與第1片應(yīng)變片的夾角。

對(duì)于由多根主梁組成的橋梁結(jié)構(gòu)，荷載橫向分布系數(shù)的量測(cè)與計(jì)算往往是橋梁檢測(cè)的內(nèi)容之一。通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面各主梁撓度的測(cè)定，可以繪制出跨中截面的橫向撓度曲線。根據(jù)荷載橫向分布的概念，運(yùn)用變位互等原理，可計(jì)算出任意一根主梁的荷載橫向分布系數(shù)。當(dāng)各主梁截面尺寸相同時(shí)，則第i根主梁的橫向分布系數(shù)βi可按下式計(jì)算：

式中：ωi為荷載P引起的第i根主梁的撓度；ω 為荷載P均勻分布于全橋?qū)挄r(shí)所產(chǎn)生的撓度。

除了運(yùn)用變位互等原理計(jì)算橫向分布系數(shù)βi外，還可以利用撓度圖的面積來計(jì)算第i根主梁的βi，見式（11）。式中：Ωi（y）為第i根主梁范圍內(nèi)撓度圖的面積；Ω 為撓度圖的總面積；yi為第i根主梁的撓度。

任意一根主梁的撓度曲線見圖7。

圖7 任意一根主梁的撓度曲線

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了量化實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比較結(jié)果，引入結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)λ：

式中：Se為試驗(yàn)荷載作用下量測(cè)的效應(yīng)（撓度、位移、應(yīng)變或力）值；Ss為試驗(yàn)荷載作用下理論計(jì)算效應(yīng)（撓度、位移、應(yīng)變或力）值。

當(dāng)λ=1時(shí)，說明理論值與實(shí)測(cè)值完全相符；λ＜1時(shí)，說明結(jié)構(gòu)工作性能較好，承載能力有一定富余，有安全儲(chǔ)備；λ＞1時(shí)，說明結(jié)構(gòu)的工作性能較差，設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，不夠安全。

3.3.1 應(yīng)變分析

圖8列出了3種最不利工況下應(yīng)變理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖。根據(jù)圖8，對(duì)最不利受力部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算，結(jié)果見表2。表2結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)0.87≤λ≤0.92。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015），影響結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)的因素是多方面的，如結(jié)構(gòu)體系、所用材料及模型參數(shù)等，因此在保證測(cè)試精度的同時(shí)，還應(yīng)該客觀分析實(shí)際結(jié)構(gòu)與計(jì)算模型的差異，進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。

3.3.2 撓度分析

表3列出了橋面位移測(cè)點(diǎn)在3種最不利工況荷載作用下的撓度實(shí)測(cè)值、理論值，以及結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)λ，其中撓度以向下為負(fù)，向上為正。圖9為3種最不利工況作用下位移實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比圖。

由表3可知，橋面各控制截面在其最不利布載情況下（工況2、4、6）的實(shí)測(cè)撓度值小于理論計(jì)算值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)0.55≤λ≤0.78。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）該橋結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)小于1，說明其結(jié)構(gòu)工作性能較好，承載能力有一定富余，有安全儲(chǔ)備。

圖8 3 種最不利工況下理論應(yīng)變與實(shí)測(cè)應(yīng)變對(duì)比圖

圖9 3 種最不利工況下理論位移與實(shí)測(cè)位移對(duì)比圖

表3 橋面測(cè)點(diǎn)撓度理論值與實(shí)測(cè)值

（2）在試驗(yàn)荷載作用下，跨中各靜載撓度最大值為8.28mm，小于規(guī)范允許值l/600（l為橋的計(jì)算跨徑），滿足規(guī)范限值要求。

（3）本文結(jié)合工程實(shí)際，給出了橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析成果，旨在為類似橋梁的荷載試驗(yàn)檢測(cè)、評(píng)定提供理論依據(jù)與借鑒。