閆國華

（山西交通控股集團(tuán)呂梁北高速公路管理有限公司，山西 呂梁 033000）

1 靜力荷載試驗(yàn)檢測(cè)概述

進(jìn)行橋梁性能檢測(cè)時(shí)，必須對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)性能及各部件工作性能展開全面且完善的檢測(cè)與試驗(yàn)，其中最為關(guān)鍵的是對(duì)包括剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等在內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的測(cè)定。通常，當(dāng)發(fā)生以下四種情況后必須進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)：①橋梁建設(shè)等級(jí)或要求較高，必須通過荷載試驗(yàn)確保其達(dá)到超常規(guī)要求；②橋梁運(yùn)行過程中交通量大、重載車輛運(yùn)行時(shí)間長，則必須根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果保證其結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定；③橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間較長，為進(jìn)行梁體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)或經(jīng)過大型加固改造后進(jìn)行驗(yàn)收；④橋梁建設(shè)期間所用承重材料存在缺陷，使梁體結(jié)構(gòu)承載力受到不利影響。

靜力荷載試驗(yàn)實(shí)施時(shí)，必須在指定橋梁位置上設(shè)置靜止荷載，并檢測(cè)其靜應(yīng)變、靜位移、裂縫情況。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果綜合判斷橋梁結(jié)構(gòu)受荷載作用后的使用性能和工作狀態(tài)。可以通過特定載重級(jí)別的車輛向待檢測(cè)橋梁施加靜力荷載，也可以將水箱、預(yù)制塊件運(yùn)輸至指定位置施加靜載。加載分級(jí)級(jí)數(shù)通常根據(jù)橋梁實(shí)際情況予以確定，通常情況下，直接按照最大控制截面內(nèi)力將其劃分為四級(jí)；而在借助重型車輛施加靜力荷載時(shí)，為簡(jiǎn)化車輛加載、卸載及稱重等環(huán)節(jié)，通常設(shè)置三級(jí)加載級(jí)數(shù)。總之，如橋梁狀況不良或在試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作并不充分的情況下，應(yīng)盡量多設(shè)置加載分級(jí)級(jí)數(shù)；如受環(huán)境或其他因素限制而導(dǎo)致級(jí)別較小時(shí)，可在各級(jí)加載期間使車輛緩慢駛?cè)胫付虞d位置，確保試驗(yàn)安全。卸載處理時(shí)可以在分級(jí)加載后直接卸載，也可以在完成全部加載后再分級(jí)卸載。

靜力荷載試驗(yàn)車輛通常選用載重汽車或平板車。借助車輛加載既方便調(diào)運(yùn)，又能加快加載卸載速度，加載試驗(yàn)也可以使用重物，即依據(jù)控制荷載著地輪痕搭設(shè)承載架，在承載架上利用重物進(jìn)行加載。如果加載試驗(yàn)過程持續(xù)時(shí)間較長，則應(yīng)考慮在夜間進(jìn)行，以控制溫度變化對(duì)加載試驗(yàn)結(jié)果的不利影響。由于靜力加載試驗(yàn)必須取得量化的數(shù)據(jù)及參數(shù)，因此在加載試驗(yàn)過程中必須準(zhǔn)確稱量加載物具體質(zhì)量?？梢灾苯臃Q量，也可以通過體積測(cè)量后換算得出；加載車輛可根據(jù)車輛出廠規(guī)格直接確定。需注意的是，使用車輛進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)時(shí)，必須使車輛上的加載物對(duì)稱排列，并將縱向軸兩側(cè)質(zhì)量誤差控制在5%以內(nèi)，準(zhǔn)確測(cè)量橋梁實(shí)際受力及相應(yīng)的變形情況。

2 工程概況

某橋梁于1999年建成，上部為現(xiàn)澆連續(xù)箱型梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共分為三聯(lián)，第一聯(lián)K0+000—K0+067，跨徑67m；第二聯(lián)K0+067—K0+132.5，跨徑65.5m；第三聯(lián)K0+132.5—K0+216.5，跨徑84m。橋梁斷面全寬8.0m（防撞護(hù)欄0.5m+車行道7.0m+防撞護(hù)欄0.5m），按照單車道設(shè)計(jì)。上部結(jié)構(gòu)為單箱單室截面形式，箱梁高1.6m、頂板寬8.0m、懸臂長1.5m。第一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁外跨中腹板及支點(diǎn)處腹板設(shè)計(jì)厚度分別為0.5m和0.65m，在小半徑平曲線的作用下，通過增大曲線內(nèi)側(cè)腹板厚度以增加結(jié)構(gòu)自重，跨中腹板及支點(diǎn)處腹板厚度分別增大至0.7m和0.9m。第二聯(lián)普通鋼筋混凝土箱梁曲線外跨中腹板及支點(diǎn)處腹板設(shè)計(jì)厚度分別為0.5m和0.6m，曲線內(nèi)側(cè)腹板同樣加厚，以增大結(jié)構(gòu)自重，跨中及支點(diǎn)處腹板厚度分別增大至0.7m和0.9m。第三聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁跨中及支點(diǎn)處腹板設(shè)計(jì)厚度分別為0.5m和0.35m，箱梁頂?shù)装搴穸染鶠?.2m。

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁和普通鋼筋混凝土箱梁分別采用C50和C40混凝土，橋面鋪裝層為厚度8cm的防水混凝土+厚度9cm的改性瀝青混凝土層；以摩擦系數(shù)0.15、管道偏差系數(shù)0.001 5的塑料波紋管為預(yù)應(yīng)力管道。

采用滿堂支架澆筑法進(jìn)行橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，預(yù)應(yīng)力由兩端張拉：先張拉橫隔梁1/2處預(yù)應(yīng)力鋼束，再進(jìn)行主梁頂板和腹板處鋼束對(duì)稱張拉，張拉結(jié)束后進(jìn)行剩余橫隔梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉。待全部預(yù)應(yīng)力張拉完畢后再拆除支架。

2021年5月，在該橋梁定期檢測(cè)過程中，根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 99—2017）及該橋梁表觀檢測(cè)結(jié)果，將其技術(shù)狀況整體評(píng)定為C級(jí)，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破損；梁體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)數(shù)條明顯的豎向裂縫，橋梁上部結(jié)構(gòu)加固鋼板存在螺栓松動(dòng)等病害，下部結(jié)構(gòu)被評(píng)定為B級(jí)?；诖耍柰ㄟ^靜力荷載試驗(yàn)對(duì)該橋梁狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

3 橋梁荷載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

考慮到該橋梁日常交通量大，橋梁結(jié)構(gòu)安全對(duì)交通運(yùn)行存在較大影響，必須對(duì)其進(jìn)行荷載試驗(yàn)，以探明橋面鋪裝受損程度及原因。通過橋梁荷載試驗(yàn)，首先驗(yàn)證橋梁上部結(jié)構(gòu)承載力是否符合公路-Ⅰ級(jí)荷載以及梁體、空心板等分布規(guī)律，判斷橋梁上部結(jié)構(gòu)是否存在單梁受力以及橋面嚴(yán)重破損的具體原因。荷載試驗(yàn)期間，通過觀測(cè)原主要病害變化程度以及試驗(yàn)期間是否發(fā)生新增病害，判斷橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全性。通過橋梁荷載試驗(yàn)全面掌握橋梁整體工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上綜合評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全性，分析潛在隱患，為橋梁結(jié)構(gòu)長期運(yùn)營安全提供可靠數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)荷載

采用Midas Civil有限元軟件構(gòu)建空間有限元模型[1]，以進(jìn)行靜力試驗(yàn)所加載荷載大小的確定。根據(jù)第一聯(lián)～第三聯(lián)邊跨跨中、中跨跨中與墩頂截面彎矩影響曲線以及各截面影響線，按照單車道進(jìn)行公路-Ⅱ級(jí)車道荷載加載計(jì)算，箱梁偏載系數(shù)（即橫向分布系數(shù)）取1.15，沖擊系數(shù)按照規(guī)范取值。加載荷載效率及實(shí)際加載所對(duì)應(yīng)的理論撓度值分別見表1和表2。

表1 加載荷載效率

表2 實(shí)際加載所對(duì)應(yīng)的理論撓度值

3.3 加載方式

考慮到該橋梁建設(shè)時(shí)間較早，且缺乏設(shè)計(jì)及竣工資料，為確保檢測(cè)過程中加載安全，按照公路-Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)80%→公路-Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)100%→公路-Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)100%依次加載。為全面掌握橋梁實(shí)際受力情況，每級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)下的每一加載工況均嚴(yán)格按照4～5級(jí)分級(jí)方式加載。結(jié)合橋梁受力情況，選取第一聯(lián)0-1#跨中截面、1-2#跨中截面、1#墩墩頂截面，第二聯(lián)2-3#跨中截面、3-4#跨中截面、3#墩墩頂截面，第三聯(lián)6-7#跨中截面、7-8#跨中截面、7#墩墩頂截面等9個(gè)測(cè)試斷面。

根據(jù)正常使用荷載進(jìn)行加載控制，布載則按照測(cè)試截面彎矩等效原則進(jìn)行，還應(yīng)保證測(cè)試截面試驗(yàn)荷載效率符合檢測(cè)規(guī)程。加載試驗(yàn)車輛數(shù)量及型號(hào)均應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)分析和荷載等效原則確定，該橋梁狀態(tài)檢測(cè)評(píng)估靜力荷載試驗(yàn)車輛為5輛，前后軸距為3.8～4.2m，且后軸與車尾距離不超過2.0m、橫向輪距1.8m、前軸重10t、后軸重30t、總重40t的三軸車。靜力荷載試驗(yàn)開始前必須將加載車輛過磅稱重，單車重量誤差控制在1t范圍內(nèi)。

根據(jù)測(cè)試斷面設(shè)置要求，在每個(gè)測(cè)試斷面分別設(shè)置5個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)和5個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，撓度測(cè)點(diǎn)均勻設(shè)置在底板位置，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)中3個(gè)測(cè)點(diǎn)均布于底板處，其余兩個(gè)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于腹板和翼緣板交界處。

4 橋梁狀態(tài)評(píng)估

4.1 對(duì)稱加載測(cè)試結(jié)果

在靜力荷載試驗(yàn)過程中，在各斷面布置5個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，并通過TOPCONDL-102C型精密電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行各跨跨中目標(biāo)點(diǎn)位撓度檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果平均值和理論計(jì)算值進(jìn)行比較。靜力荷載試驗(yàn)中第一聯(lián)兩跨跨中撓度最大值為5.05mm，比允許值?。坏诙?lián)邊跨跨中及中跨跨中撓度值分別取1.19mm和1.15mm，均比允許值??；第三聯(lián)邊跨跨中及中跨跨中撓度值分別取1.95mm和2.08mm，也均小于允許值。試驗(yàn)結(jié)果也表明，按照規(guī)范所得到的撓度理論值比各斷面撓度實(shí)測(cè)值大，不同加載工況下斷面撓度校驗(yàn)系數(shù)取值均處于0.668～0.795范圍內(nèi)，這也說明該橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較大，性能完好，能滿足當(dāng)前《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2018）對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)活載撓度的限制性要求。試驗(yàn)荷載影響下的各截面相對(duì)殘余變形最大為13.28%，遠(yuǎn)比規(guī)范所規(guī)定的20%控制值小，梁體結(jié)構(gòu)變形仍然處于良好的彈性工作階段。

靜力加載試驗(yàn)中還進(jìn)行了各工況下測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值的檢測(cè)，為簡(jiǎn)化分析過程，主要進(jìn)行同一斷面、同一高度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變均值和計(jì)算值、實(shí)測(cè)撓度均值與計(jì)算值的比較分析，其中，0～1#跨中截面公路-Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)80%荷載等級(jí)下的試驗(yàn)結(jié)果比較具體，見表3和表4。

表3 實(shí)測(cè)應(yīng)變均值和計(jì)算值的比較

表4 實(shí)測(cè)撓度均值和計(jì)算值的比較

根據(jù)表中測(cè)試結(jié)果的比較可以看出，各斷面應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果均比理論計(jì)算值小，荷載工況所對(duì)應(yīng)斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)取值在0.22～0.80之間，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的規(guī)定，橋梁結(jié)構(gòu)斷面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)若小于1，則表明梁體結(jié)構(gòu)剛度較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且處于較好的工作狀態(tài)。然而因橋面鋪裝、欄桿等附屬結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁剛度的影響無法精確計(jì)入檢測(cè)結(jié)果，導(dǎo)致所得計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值小。此外，混凝土材料屬于非均質(zhì)材質(zhì)，存在局部應(yīng)變滯后的情況，這也會(huì)對(duì)測(cè)驗(yàn)結(jié)果造成一定影響[2]，為此，應(yīng)結(jié)合撓度測(cè)試結(jié)果綜合判斷。撓度校驗(yàn)系數(shù)取值在0.33～0.51之間，且各截面在靜力試驗(yàn)荷載作用下相對(duì)殘余變形在-0.2%～2.3%范圍內(nèi)，比規(guī)范所規(guī)定的20%的極限值小，表明梁體結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。

4.2 偏心加載測(cè)試結(jié)果

為分析偏心荷載作用下主梁受力和變形情況，在第一聯(lián)～第三聯(lián)中跨跨中實(shí)施偏心加載。偏心荷載作用下，偏心方向撓度和荷載對(duì)稱布置下?lián)隙鹊谋戎导礊橄淞簷M向增大系數(shù)[3]，具體表示見式（1）：

式中：ξ為箱梁橫向增大系數(shù)；we為偏心荷載作用下橫向測(cè)點(diǎn)撓度最大值或?qū)崪y(cè)應(yīng)變值；w0為荷載對(duì)稱布置時(shí)橫向測(cè)點(diǎn)撓度均值或?qū)崪y(cè)應(yīng)變值。

結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果，試驗(yàn)工況下，根據(jù)撓度值計(jì)算得到第一聯(lián)0～1#跨中截面、1～2#跨中截面、1#墩墩頂截面，第二聯(lián)2～3#跨中截面、3～4#跨中截面、3#墩墩頂截面，第三聯(lián)6～7#跨中截面、7～8#跨中截面、7#墩墩頂截面等9個(gè)測(cè)試斷面橫向增大系數(shù)取值分別為1.016、1.078、1.037、1.012、1.037、1.041、1.044、1.050、1.088，均小于1.15的推薦值，表明該橋梁梁體在偏心荷載作用下并未發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，也說明梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面抗扭能力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)受力處于有利狀態(tài)。

4.3 裂縫觀測(cè)結(jié)果

在靜力加載試驗(yàn)過程中，進(jìn)行主要受力部位混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度觀測(cè)。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，加載試驗(yàn)期間并無明顯裂縫出現(xiàn)，既有裂縫加載后均無發(fā)展延伸跡象。

5 結(jié)語

綜上所述，實(shí)例橋梁梁體撓度試驗(yàn)結(jié)果所顯示的撓度實(shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值吻合度較高，撓度試驗(yàn)結(jié)果比規(guī)范允許值?。辉谠囼?yàn)荷載作用下，橋梁梁體主控制斷面撓度實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值之比（即校驗(yàn)系數(shù)）均小于1，表明該橋梁剛度較大，性能良好。靜力荷載試驗(yàn)所得到的測(cè)試斷面相對(duì)殘余變形最大值不超出20%，橋梁結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)較好。經(jīng)以上研究，通過靜力荷載試驗(yàn)進(jìn)行橋梁狀態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)能為橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行提供基本依據(jù)。