■黃嘆生

（廈門合誠工程檢測有限公司，廈門 361000）

隨著橋梁服役時(shí)間的增長，近年來在役橋梁的靜力效應(yīng)也備關(guān)注。 橋梁結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的推移，其材料耐久性和結(jié)構(gòu)承載能力退化程度成為橋梁管養(yǎng)單位不得不重視的問題。 在現(xiàn)行橋梁檢測標(biāo)準(zhǔn)中，主要通過建立橋梁靜力荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行有限元分析，結(jié)合采集靜力荷載試驗(yàn)作用下的橋梁變位及變形數(shù)據(jù)， 評(píng)價(jià)其是否滿足目標(biāo)荷載的要求，進(jìn)而將檢測與分析結(jié)果作為該橋今后運(yùn)營和管理、檢修的參考。 在不同檢測機(jī)構(gòu)、不同工程師開展評(píng)估工作時(shí)， 所使用的橋梁力學(xué)模型并不完全一樣，這就使得同一座橋可能出現(xiàn)的評(píng)估結(jié)果略有不同。 本研究利用MIDASCIVIL 和SAP2000 兩個(gè)分析軟件，分別對(duì)目標(biāo)橋梁開展不同力學(xué)模型下靜力荷載試驗(yàn)的分析、比較。

1 靜載試驗(yàn)原理簡介

靜載試驗(yàn)主要通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下各控制截面的內(nèi)力、 應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變位，從而檢驗(yàn)橋梁實(shí)際工作狀態(tài)是否滿足規(guī)范要求。

（1）靜載試驗(yàn)的控制截面根據(jù)可通過以下原則進(jìn)行確定：①根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，選取活載作用下內(nèi)力、應(yīng)力、反力及結(jié)構(gòu)變形較大的部位作為控制截面； ②根據(jù)構(gòu)件的構(gòu)造選取局部測試控制部位；③根據(jù)外觀檢測結(jié)果，將技術(shù)狀況較差的截面作為輔助控制位置。

（2）靜力荷載作用的按照如下方法確定：①對(duì)控制截面施加靜力荷載的大小根據(jù)設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的靜力效應(yīng)等效確定；②通常車行橋梁采用雙后軸車輛作為試驗(yàn)加載車輛進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)；③根據(jù)CJJ/T 233-2015 《城市橋梁檢測與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》[1]規(guī)定的要求，靜力試驗(yàn)荷載可按控制內(nèi)力、應(yīng)力或變位等效原則確定，并按下式所確定的原則等效換算而得：

④試驗(yàn)分析時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)需求，對(duì)目標(biāo)橋跨建立MIDASCIVIL 或SAP2000 結(jié)構(gòu)理論計(jì)算模型，計(jì)算最不利和典型截面或構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力或變形響應(yīng)，以確定測試控制截面和試驗(yàn)荷載提供依據(jù)。

（3）測試內(nèi)容的確定應(yīng)該滿足如下要求：①應(yīng)測試試驗(yàn)作用下結(jié)構(gòu)變位、變形、裂縫變化的情況；②測點(diǎn)的布置應(yīng)該遵循左右對(duì)稱、上下兼顧、重點(diǎn)突出的原則，充分反應(yīng)結(jié)構(gòu)各個(gè)方向變化，且不宜過多；③試驗(yàn)分析時(shí)，計(jì)算各工況試驗(yàn)荷載作用下控制截面各測點(diǎn)的應(yīng)變、內(nèi)力和變形值，供測試過程試驗(yàn)人員作為參考、比較、分析。

2 工程實(shí)例介紹

本次選擇的廈門BRT 專用車道高架橋梁群中的第41 聯(lián)作為分析對(duì)象(圖1)。該橋跨屬于區(qū)間橋，孔跨布置為（30+30+30）m，聯(lián)長90 m，橋?qū)?0 m，橫斷面布置為0.5 m（防撞墻）+0.5 m（路緣帶）+3.75 m（行車道）+0.5 m（雙黃線）+3.75 m（車行道）+0.5 m（路緣帶）+0.5 m（防撞墻）=10 m。 橋面鋪裝：6 cm C50 防水混凝土調(diào)坡層+10 cm 瀝青砼面層。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用分節(jié)段預(yù)制拼裝、先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的三跨預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)體系，預(yù)制箱梁混凝土采用C50。 箱梁截面采用箱型斷面，單箱單室結(jié)構(gòu)， 梁高1.8 m。 標(biāo)準(zhǔn)的主梁預(yù)制頂寬均為9.8 m，底寬4.45 m，翼緣板挑臂長2.0 m；頂板厚28 cm、底板厚度為25 cm，腹板采用斜腹板，跨中腹板厚度為40 cm，支點(diǎn)處腹板厚60 cm。 翼緣板端部厚18 cm，與腹板交接處加厚到45 cm。 計(jì)算荷載：輕軌荷載（直線電機(jī)B 型車荷載），設(shè)計(jì)行車速度：60 km/h。 支座：采用抗震型盆式橡膠支座。

圖1 廈門市BRT 第41 聯(lián)高架橋平面布置圖

3 測試跨選擇

根據(jù)JTG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[2]，橋梁試驗(yàn)孔應(yīng)選擇受力性能具有代表性的位置，即結(jié)構(gòu)受力最不利、技術(shù)狀況較差、損傷缺陷突出。 故而開展本次測試前，對(duì)該橋進(jìn)行全面表觀缺陷檢測。

表觀質(zhì)量缺陷檢測， 主要根據(jù)GB/T 50784-2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]開展，通過目測結(jié)合儀器的方式，檢測目標(biāo)橋梁結(jié)構(gòu)混凝土表觀質(zhì)量情況。

本次檢測發(fā)現(xiàn)橋面瀝青鋪裝層存在輕微磨損，伸縮縫存在堵塞、鋼構(gòu)件銹蝕現(xiàn)象，錨固區(qū)混凝土縱向開裂橋面泄水孔存在堵塞， 水篦子缺失現(xiàn)象，防撞護(hù)欄砼豎向開裂，聲屏障鋼構(gòu)件輕微銹蝕。 第一跨梁底存在泛堿析白和混凝土破損現(xiàn)象，第二跨存在2 條裂縫， 縫寬均超過規(guī)范允許的裂縫最大寬度允許值（0.2 mm）[4]，第三跨出現(xiàn)多出泛堿析白現(xiàn)象，結(jié)合本橋?yàn)? 跨等跨對(duì)稱結(jié)構(gòu)，綜合考慮， 選擇第二跨和第三跨作為本次靜力荷載試驗(yàn)跨。

4 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil 和SAP2000 通用軟件建立該橋空間有限元模型，分別見圖2、圖3。 模型中主梁皆用梁單元模擬，主梁支座類型為盆式鋼支座，模型中邊跨支座處主梁約束豎向、橫橋向的平動(dòng)自由度和面外轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。 材料、尺寸等參數(shù)依據(jù)橋梁竣工圖紙所提供數(shù)據(jù)進(jìn)行，材料強(qiáng)度、保護(hù)層厚度及鋼筋銹蝕狀況，在開展損傷較嚴(yán)重橋梁檢測評(píng)估時(shí)，應(yīng)進(jìn)行檢測，后根據(jù)測試結(jié)果與原設(shè)計(jì)進(jìn)行比較、修約，并在模型中加以修正。 模型計(jì)算時(shí)，靜力荷載采用設(shè)計(jì)城市-B 級(jí)荷載進(jìn)行， 荷載排列情況根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

圖2 MIDAS/Civil 有限元模型

圖3 SAP2000 計(jì)算模型

汽車荷載沖擊力為汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù)， 橋梁靜力荷載在考慮汽車荷載沖擊力時(shí)，是根據(jù)理論沖擊系數(shù)進(jìn)行修正，橋梁理論沖擊系數(shù)的計(jì)算方法參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》。 本項(xiàng)目通過計(jì)算，橋梁一階頻率，即基頻為3.48 Hz，按照橋梁頻率及沖擊系數(shù)的換算方法， 頻率不小于1.5 Hz，且不大于14 Hz 時(shí)，沖擊系數(shù)取（0.167lnf-0.0157），即0.19。

5 靜載試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)斷面及工況

根據(jù)多跨連續(xù)梁橋的受力特點(diǎn)， 按最不利原則，靜載試驗(yàn)共布置3 個(gè)荷載工況，分別為邊跨最大正彎矩工況、中跨最大正彎矩工況及支點(diǎn)最大負(fù)彎矩工況。 測試斷面示意見圖4，測試斷面應(yīng)變片、撓度布置方式見圖5 （本項(xiàng)目重點(diǎn)研究不同力學(xué)模型的靜力荷載試驗(yàn)實(shí)例分析， 裂縫觀測即變化、判斷，不受不同力學(xué)模型影響，故而本研究觀測數(shù)據(jù)不考慮裂縫分布及變化情況分析）。

圖4 靜載試驗(yàn)斷面示意圖

圖5 測試斷面測點(diǎn)布置示意圖

本次靜力荷載試驗(yàn)在計(jì)算過程中的理論計(jì)算荷載等級(jí)按照城-B 等級(jí)計(jì)算， 靜力荷載試驗(yàn)實(shí)際采用4 輛重約為380 kN 的三軸載重貨車充當(dāng) （為節(jié)省篇幅，暫不列出車輛試驗(yàn)加載具體位置）。 表1列出了各工況在兩種模型分析下的理論內(nèi)力、試驗(yàn)內(nèi)力以及試驗(yàn)效率。

表1 靜力荷載試驗(yàn)效率比較

5.2 靜載測試分析

本次試驗(yàn)過程中，按照荷載試驗(yàn)效率及加載車的實(shí)際情況，分三級(jí)加載，記錄每級(jí)荷載作用下各測點(diǎn)的變化情況，本文重點(diǎn)分析滿載作用下的各測點(diǎn)數(shù)值。 對(duì)靜載試驗(yàn)中測量得到的應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后得到，兩種力學(xué)模型各工況下斷面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)平均值分別為0.61/0.62、0.70/0.64、0.64/0.63，最大應(yīng)變相對(duì)殘余值為15.38%；撓度校驗(yàn)系數(shù)平均值分別為0.63/0.67、0.68/0.70（負(fù)彎矩工況2 不測撓度）， 最大撓度相對(duì)殘余值為10.86%。各工況應(yīng)變、 撓度校驗(yàn)系數(shù)均滿足CJJ/T233-2015《城市橋梁檢測與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》中所規(guī)定不大于1的要求，且相對(duì)殘余均小于20%。 工況的典型應(yīng)變、撓度測試結(jié)果見表2、3。

表2 典型應(yīng)變測試結(jié)果

表3 典型撓度測試結(jié)果

根據(jù)測試分析結(jié)果可得到， 正彎矩作用下，兩種力學(xué)模型的校驗(yàn)系數(shù)較為接近， 結(jié)果比較真實(shí)、有效；負(fù)彎矩作用下，兩種力學(xué)模型的試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)相差較大，一方面可能是負(fù)彎矩邊界約束模擬與實(shí)際情況不完全一致導(dǎo)致，另一方面可能是負(fù)彎矩工況兩種力學(xué)模型試驗(yàn)效率相差較大產(chǎn)生。

6 結(jié)論

（1）MIDAS 及SAP2000 在單箱雙室連續(xù)梁結(jié)構(gòu)模型中， 正彎矩工況試驗(yàn)效率均能滿足規(guī)范0.95～1.05 的要求，且正彎矩工況試驗(yàn)作用下各測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)在兩種力學(xué)模型下較為相近，且均滿足規(guī)范規(guī)定不大于1 的要求，說明其荷載試驗(yàn)?zāi)軌蚍从硺蚩缃Y(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的受力性能。

（2）負(fù)彎矩工況試驗(yàn)效率在MIDAS 及SAP2000力學(xué)模型分析偏差20%，主要為兩種力學(xué)模型中設(shè)計(jì)荷載作用下的負(fù)彎矩內(nèi)力偏差較大，可能由于不同人員在不同模型中負(fù)彎矩處邊界條件設(shè)置不同、單元?jiǎng)澐执笮〔煌仍虍a(chǎn)生，在后續(xù)荷載試驗(yàn)開展不同模型的比較時(shí)，應(yīng)注意邊界條件、設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐值鹊脑O(shè)置，確保其一致性。

（3）由于橋面較窄，車道較少，不同力學(xué)模型負(fù)彎矩工況內(nèi)力有一定差距，在單箱雙室連續(xù)梁的橋梁運(yùn)營管理中，為充分反映橋跨結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩的受力性能，建議試驗(yàn)通過多種模型力學(xué)綜合分析、相互驗(yàn)證。

（4）在單箱雙室連續(xù)梁的橋梁運(yùn)營管理中，由于在不同力學(xué)模型下，負(fù)彎矩結(jié)構(gòu)內(nèi)力容易產(chǎn)生較大偏差，建議加強(qiáng)對(duì)其養(yǎng)護(hù)與管養(yǎng)，切實(shí)開展負(fù)彎矩裂縫、剪切變形等巡養(yǎng)。