汪義志

(衡陽市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，湖南 衡陽 421000)

1 引言

隨著城市建設(shè)發(fā)展的需要，城區(qū)內(nèi)貨車超載狀況日益加劇，同時(shí)施工單位對(duì)濕接縫施工不重視和操作空間小，導(dǎo)致濕接縫質(zhì)量較差，從而加速橋梁薄弱區(qū)域濕接縫的破壞。某些地區(qū)橋梁管養(yǎng)單位因人力、技術(shù)、經(jīng)費(fèi)不足，使得橋梁病害得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)加固，隨著病害發(fā)展加劇，致使橋面局部塌陷、斷梁甚至于斷橋的嚴(yán)重事故。如2004年10月發(fā)生在河南滎陽市王村鎮(zhèn)蔣頭村北頭連霍高速612km處的一起路橋橋面塌陷事故，導(dǎo)致一輛滿載焦炭的大型貨車來不及躲避而陷入橋面，損失嚴(yán)重；2011年5月，位于吉林省長春市內(nèi)伊通河上的一座大橋橋面發(fā)生了塌陷，導(dǎo)致一輛貨車直接墜河。兩起事故的主要原因都是因?yàn)閱瘟号c單梁之間連接的濕接縫破損，從而引發(fā)了橋面破損，橋梁橫向連接失效，致使車輛荷載無法橫向傳遞到其他梁上，進(jìn)而單梁承受汽車荷載，最終釀成安全事故。橋梁坍塌事故的發(fā)生對(duì)社會(huì)帶來不同程度的財(cái)產(chǎn)損失和人身安全威脅，同時(shí)也為橋梁行業(yè)帶來諸多負(fù)面影響，因此很有必要對(duì)單梁和成橋荷載試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究分析，以此尋找更加適合驗(yàn)證橋梁安全質(zhì)量的措施及方法。

本文以平步大橋?yàn)楸尘?，選取本工程左幅14#～17#軸跨為荷載試驗(yàn)對(duì)象，該聯(lián)跨徑為(40+40+40+30)m，結(jié)構(gòu)形式為先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的預(yù)制小箱梁橋。重點(diǎn)從撓度和應(yīng)變數(shù)據(jù)兩方面來分析，將以荷載效率為基本條件、以效應(yīng)系數(shù)為唯一準(zhǔn)則，探索單梁荷載試驗(yàn)和成橋荷載試驗(yàn)?zāi)膫€(gè)更能確保橋梁質(zhì)量安全。

2 荷載試驗(yàn)及其結(jié)果分析

為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的可比對(duì)性更強(qiáng)，結(jié)論更為合理，需要從兩個(gè)方面著手。第一，荷載試驗(yàn)應(yīng)避開溫差較大的時(shí)間段，因?yàn)闇夭钸^大會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利的干擾；故橋梁荷載試驗(yàn)和單梁荷載試驗(yàn)均是在晚上7點(diǎn)后開始進(jìn)行；第二，選取成橋荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的第16跨16-1邊梁和對(duì)應(yīng)的第16跨16-1梁單梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，更具說服力。

2.1 橋梁計(jì)算模型及試驗(yàn)加載效率

單梁和成橋荷載試驗(yàn)的仿真模型均采用空間有限元程序MIDAS/Civil 2012進(jìn)行，因主梁與蓋梁、單梁和試驗(yàn)臺(tái)之間的聯(lián)系均是橡膠支座，下部結(jié)構(gòu)對(duì)整體仿真模型結(jié)果無影響，故下部結(jié)構(gòu)無需仿真模擬；平步大橋整體橋梁模型是采用梁格法原理建模，成橋試驗(yàn)仿真模型見圖1；單梁是采用單一桿系單元建模，單梁荷載試驗(yàn)仿真模型見圖2。

圖1 平步大橋橋梁計(jì)算模型圖

圖2 平步大橋16-1單梁計(jì)算模型

通過橋梁仿真模擬模型來確定測試截面位置、車輛加載位置以及加載重量，來確保荷載效率基本條件成立。最大試驗(yàn)荷載依照試驗(yàn)荷載效率來計(jì)算。靜力試驗(yàn)荷載效率的計(jì)算公式如下。

式中：Sstat——試驗(yàn)荷載作用下，檢測部位變位或內(nèi)力的計(jì)算值；S——設(shè)計(jì)荷載作用下，檢測部位變位或內(nèi)力的計(jì)算值；δ——設(shè)計(jì)取的動(dòng)力系數(shù)。

靜力試驗(yàn)荷載效ηd率取值范圍為0.80～1.00①。

試驗(yàn)中將對(duì)測試截面進(jìn)行撓度、應(yīng)力(應(yīng)變)測試，橋梁荷載試驗(yàn)和單梁荷載試驗(yàn)測試截面位置均位于主梁跨中。

試驗(yàn)荷載的最大噸位按照控制截面的試驗(yàn)內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)控制內(nèi)力的80%～100%來確定。試驗(yàn)工況設(shè)置見表1所示。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置一覽表

橋梁荷載試驗(yàn)工況采用6輛重約550kN的載重汽車進(jìn)行加載，加載分四級(jí)，即：1097.9kN→1638.0kN→2749.6kN→3319.8kN。滿載后持荷至變形穩(wěn)定。卸載只分一級(jí)，即：3319.8kN→0kN，卸載后繼續(xù)進(jìn)行觀測至結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。工況實(shí)際荷載試驗(yàn)效率系數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)彎矩(kN·m)和試驗(yàn)荷載效率系數(shù)

單梁荷載試驗(yàn)工況采用千斤頂頂推反力梁的方式進(jìn)行加載，加載分四級(jí)，即：150.49kN→277.94kN→436.28kN→552.52kN。滿載后持荷至變形穩(wěn)定。卸載也只分一級(jí)，即：552.52kN→0kN，卸載后繼續(xù)進(jìn)行觀測至結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。工況實(shí)際荷載試驗(yàn)效率系數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)彎矩(kN·m)和試驗(yàn)荷載效率系數(shù)

2.2 試驗(yàn)測試結(jié)果及分析

2.2.1 試驗(yàn)測試結(jié)果

在各級(jí)荷載作用下，本文將試驗(yàn)中所測得的實(shí)測撓度數(shù)據(jù)根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的第5.7.3條進(jìn)行了支座沉降修正，最后的數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

表4 各級(jí)荷載作用下控制截面撓度測點(diǎn)實(shí)測值(單位：mm)

在各級(jí)荷載作用下，本文在所測得的實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，修正了溫度的影響，其最后的數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

表5 各級(jí)荷載作用下控制截面底板應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測值平均值(單位：με)

2.2.2 測試結(jié)果分析

通過實(shí)測數(shù)據(jù)的分析處理，作為判斷橋梁、單梁是否合格的唯一準(zhǔn)則——校驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件測量的彈性變形或力值(Se)與試驗(yàn)荷載作用下理論計(jì)算值(Sstat)的比值(校驗(yàn)系數(shù)η)應(yīng)滿足

β<η=Se/Sstat≤α。

式中，β=0.7，α=1.05①。

量測的殘余變形值與量測的總變形值的比值ξ應(yīng)滿足

ξ=Sp/Stot≤α1。

式中，α1=0.2①。

本文通過加載試驗(yàn)取得應(yīng)變、撓度實(shí)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算和分析兩次荷載試驗(yàn)的應(yīng)變及位移效應(yīng)系數(shù)、殘余變形系數(shù)，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

通過表6分析對(duì)比可以得出成橋荷載試驗(yàn)所得撓度和應(yīng)變的效應(yīng)系數(shù)均遠(yuǎn)小于單梁荷載試驗(yàn)下?lián)隙群蛻?yīng)變的效應(yīng)系數(shù)。本文對(duì)造成該結(jié)果的原因進(jìn)行簡要分析，主要有如下兩點(diǎn)。

表6 試驗(yàn)評(píng)定指標(biāo)計(jì)算綜合表

第一，試驗(yàn)測試選取對(duì)比的試驗(yàn)梁16-1為邊梁，做成橋荷載試驗(yàn)時(shí)，其橋梁的防撞欄已全部現(xiàn)澆完畢，由于是整體現(xiàn)澆，故在成橋荷載試驗(yàn)中是參與了受力；因?yàn)樵O(shè)計(jì)院出示的設(shè)計(jì)圖紙防撞欄是以自重荷載形式存在的，并沒有考慮在整個(gè)橋梁中貢獻(xiàn)了多少剛度和強(qiáng)度，所以數(shù)字建模中是沒有考慮其強(qiáng)度和剛度的，故導(dǎo)致成橋荷載試驗(yàn)效應(yīng)系數(shù)偏??；

第二，因橋面鋪裝為10cm水泥混凝土，也因第一點(diǎn)提及到的原因，其強(qiáng)度和剛度在數(shù)字建模中也未考慮其強(qiáng)度和剛度，而在荷載試驗(yàn)中也是參與其受力，故也導(dǎo)致成橋荷載試驗(yàn)效應(yīng)系數(shù)偏小。

基于以上分析，同時(shí)從成橋荷載試驗(yàn)中所采集的數(shù)據(jù)和單梁荷載試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，成橋的剛度、強(qiáng)度比單梁的剛度、強(qiáng)度均提高了很多。

3 結(jié)論及建議

通常做交竣工驗(yàn)收的橋梁荷載試驗(yàn)時(shí)，橋面鋪裝和濕接縫均未破損，橋梁處于整體受力狀態(tài)，故這時(shí)的荷載試驗(yàn)是基于橋梁整體受力的一個(gè)試驗(yàn)過程，因此無法精準(zhǔn)反映每一片預(yù)制梁的實(shí)際質(zhì)量狀況；在這種情況下，橋梁運(yùn)營期間，如果管理養(yǎng)護(hù)單位養(yǎng)護(hù)、維修不及時(shí)，久而久之濕接縫破損，橫向連接失效，梁與梁之間的橫向傳力途徑遭到破壞，致使單片梁獨(dú)立承受汽車荷載，甚至于單片梁承受偏載，此時(shí)的橋梁存在斷梁的重大安全隱患，而這種質(zhì)量安全隱患，是無法通過成橋荷載試驗(yàn)驗(yàn)證其是否安全可靠。從當(dāng)下不斷發(fā)生的橋面塌陷和斷梁安全事故來看，在確保單梁施工質(zhì)量的前提下，既可以為我們贏取更多時(shí)間發(fā)現(xiàn)病害、修復(fù)病害，又可以杜絕此類的安全事故的發(fā)生。因此，對(duì)前期預(yù)制梁施工質(zhì)量的把控到位，為后期橋梁安全運(yùn)營打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，針對(duì)當(dāng)前城市快速發(fā)展引發(fā)的超載運(yùn)營不良現(xiàn)象，我們迫切需要在源頭把控好每一片梁的質(zhì)量。單梁作為預(yù)制梁橋的重要子構(gòu)件，只有確保子構(gòu)件質(zhì)量的過關(guān)，才能為實(shí)現(xiàn)橋梁“百年質(zhì)量”目標(biāo)提供基本保障。在當(dāng)前，單梁荷載試驗(yàn)是檢測單梁是否符合設(shè)計(jì)要求的最直接最有效的檢測手段，因此，在交工檢測中增加單梁荷載試驗(yàn)項(xiàng)目，是確保橋梁質(zhì)量最為行之有效的措施。