游正勇

（貴州橋梁建設(shè)集團有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

作為路面交通的重要組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對確保行車通暢、通行安全有重要意義。隨著服役時間的增加，在地基沉降、超荷載、環(huán)境腐蝕、設(shè)計缺陷等因素的影響下，橋梁安全性不斷降低，運行風(fēng)險提高。與此同時，橋梁實際服役狀態(tài)與理論檢測結(jié)果之間存在差異，復(fù)雜的工作環(huán)境會直接影響其使用壽命和運行安全性[1-3]，加強在役橋梁工作狀態(tài)的監(jiān)測意義深遠。

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗是了解橋梁工作狀態(tài)的有效手段，即在橋梁特定位置施加荷載，模擬橋梁實際工作狀態(tài)以獲取撓度、應(yīng)力等指標(biāo)，結(jié)合指定截面數(shù)據(jù)進行理論分析，探究橋梁的承載力和安全性，尋找可能存在的安全隱患并及時處置，降低事故風(fēng)險[4]。

1 工程概況

某公路橋梁項目全長94.2 m，橋面寬度10 m，共5跨，荷載水平為公路Ⅰ級，詳見圖1所示。該橋梁上部為預(yù)應(yīng)力箱梁，下部為柱式橋臺，橋梁支座為板式橡膠支座，橋面由瀝青混凝土和水泥混凝土調(diào)平層鋪設(shè)而成，層厚分別為10 cm和8 cm。通過靜載試驗探究目標(biāo)測量點界面撓度與應(yīng)力，判斷橋梁的工作狀態(tài)是否與設(shè)計吻合，借助有限元模型進行模擬，評估橋梁的承載力是否達標(biāo)。對現(xiàn)場勘測結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，為日常維護提供參考。

圖1 橋梁布置示意（單位：m）

2 有限元分析

利用MIDAS/Civil空間有限元軟件進行模擬，該軟件在預(yù)應(yīng)力箱梁橋、斜拉橋、懸索橋等領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，土木建筑分析功能強大，可提供常見指標(biāo)參數(shù)評估，對橋梁分析和模型設(shè)計有重要指導(dǎo)作用[5]。

（1）計算參數(shù)：荷載等級為公路Ⅰ級，荷載系數(shù)分為橫向分布系數(shù)和縱向折減系數(shù)，其系數(shù)分別為0.608和1.01。

（2）計算模型：根據(jù)該方案實際情況，橋梁為空間單元模擬，合計185個模擬單元。依據(jù)荷載情況獲得橋梁彎矩包絡(luò)圖，結(jié)果顯示邊跨彎矩水平最大。

3 靜載試驗

在橋梁選定目標(biāo)位置施加靜荷載，控制應(yīng)變、截面位移等參數(shù)，加強現(xiàn)場勘測，評估橋梁在一定荷載水平下的工作狀態(tài)和性能指標(biāo)。

3.1 靜載試驗步驟

靜載試驗可分為三個階段：1）對橋梁整體結(jié)構(gòu)進行觀察和檢測，做好準(zhǔn)備工作；2）加載或卸載，記錄橋梁在此過程中的應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)變化；3）比較靜載條件下的模擬數(shù)據(jù)，對試驗結(jié)果進行分析和總結(jié)，判斷橋梁狀態(tài)。

（1）觀察橋梁整體性，判斷其結(jié)構(gòu)完整與否，做好試驗前的準(zhǔn)備工作，了解橋梁設(shè)計狀況、試驗操作計劃、橋梁狀態(tài)、施工現(xiàn)場實施細節(jié)等內(nèi)容。該階段是確保靜載試驗成功的基礎(chǔ)，通過對試驗條件的準(zhǔn)備，為后續(xù)操作提供保障。

（2）橋梁荷載與卸載。根據(jù)試驗條件與參數(shù)設(shè)計，進行橋梁加載，做好試驗記錄和數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測在此過程中的橋梁變化，根據(jù)擬定的條件對橋梁加載，并觀測測試儀的數(shù)據(jù)變化[6]。加載過程中，需要對現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果進行比對，判斷模擬值與實測值之間的關(guān)系。根據(jù)參數(shù)關(guān)系判斷是否可以繼續(xù)加載，評估橋梁性能和安全狀態(tài)，尤其是存在安全隱患的橋梁，必須嚴格控制加載水平，避免引發(fā)安全事故。

（3）計算和比對靜載試驗條件下的模型數(shù)據(jù)。測試后，記錄原始資料，收集圖片、文字、數(shù)據(jù)等，尋找內(nèi)在規(guī)律，并保留有用的資料，通過軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進行專業(yè)化處置，根據(jù)技術(shù)操作規(guī)程、方案規(guī)定科學(xué)評價參數(shù)意義，評估橋梁狀態(tài)和性能[7]。

3.2 加載方式

此次橋梁靜載試驗荷載為32 t三軸汽車，為探究橋梁應(yīng)力和應(yīng)變指標(biāo)變化情況，根據(jù)等效荷載效應(yīng)分階段施壓荷載。用ηq表示靜力荷載試驗效率，該指標(biāo)計算公式如（1）所示，表示試驗荷載與設(shè)計荷載的等效程度。橋梁在服役狀態(tài)下受多重因素影響，且受力結(jié)構(gòu)多為復(fù)合性，靜力荷載試驗效率值一般在0.95~1.05區(qū)間內(nèi)。

式中，S——靜載試驗中目標(biāo)測量點界面的最大荷載效應(yīng)；S′——設(shè)計荷載水平下的對應(yīng)界面荷載效應(yīng)；μ——沖擊系數(shù)，為規(guī)定的規(guī)范值。

該橋梁靜載試驗結(jié)合工程特征，選用不同類型的車型進行試驗，加載車輛的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 加載車主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)

對有限元模型的模擬結(jié)果進行分析和對比總結(jié)，可獲得橋梁的荷載效率，詳見表2。

表2 靜力荷載試驗加載效率

3.3 加載過程

此次靜載試驗采用分級加載的方式進行四次加載。每一級加載確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，方可進行第二級加載，加載需于確定位置逐步進行。判斷穩(wěn)定狀態(tài)：每次加載后對目標(biāo)位置觀測點橫截面變位增量進行觀測，最后觀測5 min內(nèi)變位增量小于最初觀測5 min變位增量15%判定為其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，荷載檢測的總時間應(yīng)大于15 min。靜載試驗需由專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場指揮，并觀測和記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析橋梁情況，為后續(xù)工序奠定基礎(chǔ)。

3.4 測點布置

以橋梁箱形截面梁受力特點為基礎(chǔ)，利用有限元模型軟件MIDAS/Civil構(gòu)建內(nèi)力包絡(luò)圖，并結(jié)合該項目靜載試驗?zāi)繕?biāo)進行分析，詳見圖2所示。1-4#梁為撓度測量點，1#~8#測點、11#~13#測點、21#~23#測點為應(yīng)力測量點。

圖2 控制截面及測點布置（單位：cm）

4 試驗結(jié)果分析

4.1 撓度

靜載試驗滿載條件下的橋梁撓度情況如圖3所示。對圖3分析可知：1）各監(jiān)測點的撓度數(shù)據(jù)模擬值與實測值之間并無明顯差距，主梁橫斷面各個監(jiān)測點撓度數(shù)據(jù)無顯著突變情況，主梁橫向方向撓度曲線相對平緩，相比于理論數(shù)據(jù)，實測值繪制的實測撓度曲線曲率較?。?）撓度值的實測結(jié)果在計算撓度與彈性撓度區(qū)間內(nèi)，綜合分析后可知，橋梁卸載后的相對參與變形不足20%，表明試驗中主梁的受力相對均勻，橫向穩(wěn)定性突出；3）相鄰主梁間的剛度值大于理論計算值，表明該橋梁的靜載結(jié)果客觀，即橋梁的彈性狀態(tài)良好，處于安全工作范圍內(nèi)。

圖3 撓度測試結(jié)果

4.2 應(yīng)力

靜載試驗中橋梁滿載情況下的各監(jiān)測點應(yīng)力狀況如圖4所示。對圖4分析可知：1）不同監(jiān)測點的拉應(yīng)力值為負值，基本符合橋梁的受力狀態(tài)，監(jiān)測點未出現(xiàn)明顯的變形和受力改變；2）滿載情況下，實際測量應(yīng)力值和彈性應(yīng)力值基本吻合理論模型，彈性應(yīng)力值大小與計算值基本相當(dāng)，表明橋梁基本處于正常工作狀態(tài)下，參與應(yīng)力值不足20%，表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好；3）由此可見，該橋梁控制截面下翼緣板的彈性工作狀態(tài)良好，橋梁處于安全工作狀態(tài)下。

圖4 下翼緣板底應(yīng)力測試結(jié)果

橋梁靜載試驗中滿荷載情況下的橋梁腹板各監(jiān)測點應(yīng)力情況如圖5所示。對圖5分析可知：1）各腹板監(jiān)測點的實測應(yīng)力值小于計算值；2）滿荷載情況下橋梁處于彈性狀態(tài)，腹板幾何外形與各監(jiān)測點的曲線反映情況基本一致，未出現(xiàn)應(yīng)力突變狀況，表明系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，測試結(jié)果符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，截面結(jié)構(gòu)合理且穩(wěn)定；3）由此可見，橋梁滿荷載作用下，腹板的彈性良好可維持正常工作狀態(tài)。

圖5 腹板應(yīng)力測試結(jié)果

對上述應(yīng)力測試結(jié)果分析可知，不同截面監(jiān)測點的滿荷載條件下的應(yīng)力值均符合要求，橋梁均能保持良好的彈性狀態(tài)，無明顯的應(yīng)力突變現(xiàn)象，表明截面符合系統(tǒng)要求，參數(shù)設(shè)計符合規(guī)范，橋梁安全性突出，無安全隱患。

4.3 校檢系數(shù)

校檢系數(shù)ζ是評估現(xiàn)役橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和工作性能的重要指標(biāo)，靜載試驗中可以用應(yīng)力或應(yīng)變指標(biāo)的實測值與理論值之間的比值來計算，計算公式如下：

式中，Se——靜載試驗條件下滿荷載水平時，測量點的應(yīng)變或應(yīng)力實測值；Ss——靜載試驗條件下，滿荷載水平時測量點橫截面對應(yīng)的理論應(yīng)變或應(yīng)力值。查找相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)校檢系數(shù)小于1時，橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性突出，表明其處于正常狀態(tài)，工作性能良好可以滿足系統(tǒng)需求，理論計算值與實測值之間的誤差小，橋梁可以提供充分的安全保障。

以現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合計算結(jié)果獲得橋梁校檢系數(shù)，詳見圖6所示。對圖6內(nèi)容分析可知，橋梁校檢系數(shù)水平在0.7~0.8范圍內(nèi)，表明橋梁處于正常工作狀態(tài)下，符合相關(guān)規(guī)范要求，可以提供相對充分的安全保障。

圖6 校檢系數(shù)分布情況

5 結(jié)論

通過橋梁靜載試驗，分析了在役橋梁撓度、應(yīng)力、承載能力等指標(biāo)，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，評估在役橋梁的工作狀態(tài)，結(jié)論如下:

（1）靜力荷載試驗結(jié)果證實，橋梁荷載效率在0.97~1.02區(qū)間內(nèi)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即橋梁滿荷載情況下可以確保安全性，工作狀態(tài)穩(wěn)定，基本符合設(shè)計規(guī)范對荷載效應(yīng)的要求。

（2）各監(jiān)測點主梁受力情況相對均勻，橫向撓度、應(yīng)變曲線平緩，殘余變形不足20%，證實橋梁的彈性指標(biāo)合規(guī)，可在靜載試驗條件下處于正常工作狀態(tài)，試驗檢測數(shù)據(jù)與理論值之間并無明顯差異。

（3）主梁控制截面校驗系數(shù)在0.7~0.8范圍內(nèi)，證實橋梁剛度與結(jié)構(gòu)強度指標(biāo)均滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可確保正常使用。

綜上所述，該在役橋梁工作性能良好，試驗檢測結(jié)果與模擬計算值基本吻合，表明橋梁使用安全性高。