徐華鑫

（1.甘肅路橋建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅蘭州 730030）

1 概述

橋梁的承載力一般通過測試橋跨結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度來反應(yīng)，橋梁的承載力指標(biāo)是指在最不利條件下結(jié)構(gòu)的綜合反應(yīng)，橋跨結(jié)構(gòu)最不利的條件是荷載試驗最關(guān)鍵部分。因此，測試關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的變形是整個橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[1]。

橋梁的承載力指標(biāo)主要包括強度，剛度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應(yīng)和動態(tài)特性,不同的類型的橋梁結(jié)構(gòu)，荷載試驗測試的承載力指標(biāo)有所不同[2]。因此，在籌備荷載試驗方案時，應(yīng)通過分析反映載荷試驗內(nèi)容，以反映結(jié)構(gòu)承載力指標(biāo)。因此，荷載試驗最終的目的就是了解橋梁結(jié)構(gòu)的具體的受力情況，確保橋梁在運營過程中安全，保障人身安全和財產(chǎn)安全[3]。

2 工程概況

橋梁位于國道212 線上，橋梁中心樁號K077+621.00，橋梁平面位于直線線路上；橋梁工程全長67.4m，橋跨結(jié)構(gòu)采用3m×15m 的圬工拱，橋梁工程建造于1972 年。橋面鋪裝為瀝青混凝土。橋跨主拱圈及腹拱圈均采用預(yù)制混凝土塊砌筑，主拱圈寬度8.0m，厚度0.7m，矢高2.2m。橋梁設(shè)計荷載等級為汽-20，掛-100。橋梁工程全景如圖1 所示。

圖1 橋梁全景圖

3 靜載試驗

3.1 檢測截面及測點布置

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》要求，依拱橋的受力性能[4]，最終確定蘭州側(cè)孔跨跨中（CC 截面）和距拱腳50cm 處截面（A-A 截面）作為檢測控制截面，以此來觀察橋梁在正常情況下，控制截面處的結(jié)構(gòu)受力與變形行為?？刂平孛嫒鐖D2 所示。按照檢測項目及檢測任務(wù)要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點和理論計算結(jié)果，測點布置如下：

靜態(tài)應(yīng)變測點 在A-A 截面自中線向兩側(cè)每間隔1.6m 布置1 個應(yīng)變測點，共計5 個應(yīng)變測點，應(yīng)變測點編號以面向蘭州方向自左向右編號，依次為A-1～A-5。

圖2 控制截面示意圖(單位：m)

靜態(tài)撓度測點 在B-B 截面自中線向兩側(cè)每間隔1.6m 布置一個位移測點，共計5 個位移測點，位移測點編號以面向蘭州方向自左向右編號，依次AW-1～AW-5。測點布置詳如圖3 所示。

圖3 A-A 截面測點布置圖和C-C 截面測點布置圖

對荷載試驗橋梁，根據(jù)相關(guān)要求計算出各檢測截面的最大設(shè)計內(nèi)力值，以此來觀察各檢測截面在最不利設(shè)計荷載作用下的不同變形[6]，根據(jù)靜力等效原則，根據(jù)試驗荷載類型的實際情況，通過計算來確認(rèn)具體的試驗荷載總值以及加載方式[7]。

3.2 試驗工況與荷載效率

1）確定試驗荷載的原則。一般情況下，試驗橋梁的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、現(xiàn)有的病害以及運營承載力和結(jié)構(gòu)耐久力是通過靜載荷試驗方法來確認(rèn)，以此來正確確認(rèn)試驗橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，橋梁運營能力。根據(jù)交通運輸部公路科學(xué)研究所編制的《大跨度混凝土橋梁試驗方法》，交通運輸部公路局技術(shù)部和公路規(guī)劃設(shè)計研究院的建議，通常使用基本荷載。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，從車輛載荷中選擇橋梁的試驗載荷。為了準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)行為，靜態(tài)試驗載荷產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)與設(shè)計載荷的結(jié)構(gòu)效應(yīng)（靜載荷試驗效率ηq）之比應(yīng)滿足以下范圍：

其中:ηq——靜載試驗效率（ηq=Sj/Ss）；

Sj——試驗荷載作用下典型位移/內(nèi)力計算值；

Ss——設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下典型位移/內(nèi)力計算值(應(yīng)考慮空間作用與動力系數(shù))。

2）試驗荷載構(gòu)成。橋梁荷載試驗加載方式主要是采用載重汽車，荷載試驗車輛的具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗加載車輛參數(shù)清單

3）加載工況與試驗荷載效率。通過不同加載方式四種工況進(jìn)行荷載試驗，根據(jù)試驗荷載的等效并從提高試驗測試工作的效率考慮，按下面四種加載方式進(jìn)行橋梁荷載試驗：

工況1—C-C 截面處的豎向撓度最不利縱向布載-左偏載；工況2—C-C 截面處的豎向撓度最不利縱向布載-右偏載；工況3—A-A 截面處的彎矩最不利縱向布載-左偏載；工況4—A-A 截面處的彎矩最不利縱向布載-右偏載。各工況車輛具體布置位置如圖4～7 所示。

按照試驗車輛具體的實際技術(shù)參數(shù)及加載布置方式，得出了荷載效率系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 主拱各截面設(shè)計最大效應(yīng)和試驗荷載效應(yīng)

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 理論計算

根據(jù)試驗橋梁結(jié)構(gòu)的特點，采用桿系結(jié)構(gòu)建立橋梁的平面分析模型，根據(jù)設(shè)計荷載來計算橋跨結(jié)構(gòu)在最不利荷載作用下的縱向試驗位置及在水平方向上最不利的位置。根據(jù)確定的縱向試驗位置和橫向位置后，利用試驗橋梁的結(jié)構(gòu)特點建立ANSYS有限元模型來計算監(jiān)測點的理論位移和應(yīng)力。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特征，實體元素用于理論分析。根據(jù)實際車輪位置和軸重將測試載荷施加到單元表面。理論分析和計算由ANSYS 完成。實體模型如圖8 所示，有限元空間分析模型如圖9 所示。

圖8 橋梁實體模型

圖9 有限元模型

3.3.2 試驗結(jié)果分析

（1）結(jié)構(gòu)撓度/變形特性。通過試驗檢測，試驗橋梁的各測點撓度的實測值、理論值和撓度校驗系數(shù)見表3～5 位移測試分析。

表3 橋梁測點位移觀測值、計算值及校驗系數(shù)

表4 位移平均校驗系數(shù)匯總表

表5 位移相對殘余匯總表

在不同試驗工況下，位移校驗系數(shù)最大值為1.180，最小值為0.953，平均撓度校驗系數(shù)值為1.092，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)查得的鋼筋混凝土梁橋的撓度檢驗系數(shù)一般在0.50≤ηw≤0.90 之間，試驗橋梁的撓度檢驗系數(shù)不符合混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

通過理論分析值與具體荷載試驗實測值的對比發(fā)現(xiàn)：在試驗荷載作用下，各檢測位置處的撓度校驗系數(shù)在0.953～1.180 之間，平均值1.092，大于JTG/T J21-2011 規(guī)定的限值。

在試驗荷載作用下，試驗孔跨撓度相對位移殘余變形平均值為24.68%，大于JTG/T J21-2011 規(guī)定的限值（20%），表明橋跨結(jié)構(gòu)常處于彈塑性工作狀態(tài)。

（2）板底裂紋特性。在試驗荷載作用下，板底最大裂縫寬度由1.15 增大至1.5mm，貫通板寬，裂紋超限。

（3）結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變特性。通過試驗檢測，試驗橋梁的各測點應(yīng)變的實測值、理論值和撓度校驗系數(shù)見表6～7 位移測試分析。

表6 橋梁測點應(yīng)變觀測值、計算值及校驗系數(shù)

表7 應(yīng)變平均校驗系數(shù)匯總表

由表6～7 可知，試驗橋梁的應(yīng)力校驗系數(shù)最大值為1.18，大部分校驗系數(shù)均在0.97≤η≤1.18 范圍以內(nèi)，平均校驗系數(shù)為1.08，大于校驗系數(shù)上限值0.90。

從實測應(yīng)力校驗系數(shù)大于正?；炷凉皹虻膽?yīng)力檢驗系數(shù)可知：橋梁的承載能力不足。

4 橋梁承載能力評定

1）在試驗荷載作用下，試驗孔跨測試截面撓度的相對殘余變形大于20%，表明橋跨結(jié)構(gòu)彈性性能和彈性恢復(fù)能力較差。

2）在試驗荷載作用下，試驗孔測試截面的撓度校驗系數(shù)在0.953～1.18 間，均值大于1.0，超出JTG/T J21-2011 規(guī)程的限值。

3）在靜試驗荷載作用下，主拱圈裂縫存在明顯呼吸，裂縫寬度分別為寬度1.15mm（蘭州端邊孔）/1.50mm（臨洮端邊孔）。

4）根據(jù)靜動試驗的測試分析結(jié)果推斷，橋跨主拱圈存在嚴(yán)重?fù)p傷，存在脆性斷裂的可能，已不能滿足汽車-20 荷載的正常使用技術(shù)要求。

5 工程處置建議

1）主拱圈維修加固（封堵主拱拱圈裂紋、加大主拱圈截面）。

2）封堵腹拱圈裂縫。

3）修橋面防水層、更換橋面鋪裝層。