摘要 文章立足大寬度混凝土斜拉橋荷載試驗檢測技術難題，以某跨河特大橋工程為例，綜合應用有限元模擬和現(xiàn)場試驗手段，得出最不利加載工況；結合設計荷載彎矩包絡圖確定控制截面與測點位置，并根據(jù)最不利控制截面的內(nèi)力等效原則展開等效靜載、加載位置的計算確定；對靜力荷載作用下橋梁結構響應、承載力及結構運行狀態(tài)展開分析，并對測試截面應變、位移等實測值與理論值進行比較。檢測結果可為橋梁承載力評價及維修加固提供指導。

關鍵詞 靜載試驗；檢測；混凝土斜拉橋；承載力；評價

中圖分類號 U446.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0111-04

0 引言

靜載試驗主要向待測橋梁結構施加分級荷載，通過儀器監(jiān)測控制截面應力、撓度及裂縫變化程度，將監(jiān)測值和理論值（或規(guī)范值）進行比較，得到橋梁結構實際運行狀態(tài)。與動載試驗相比，靜載試驗過程簡便，對交通運行影響時間短、范圍小，能快速得出橋梁結構承載力及運行狀態(tài)測試結果?；诖?，該文以具體橋梁為例，對靜載試驗過程及結果展開分析探討，得出橋梁承載力檢測結果，為橋梁運行狀況的評價提供了依據(jù)。

1 工程概況

某跨河特大橋全長0.958 km，主橋和引橋橋面寬37.6 m和33.5 m，橋跨按照2×40 m+（40 m+110 m+320 m+110 m+40 m）+（40 m+42 m+42 m）+3×42 m布置。主橋為雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋形式，主梁為C55預應力混凝土結構，橋面按2%設置橫坡；邊箱底板寬4 m，主梁中心高3.2 m；主梁標準段長6 m，頂?shù)装搴?.3 m和0.4 m，腹板厚0.5 m，斜底板厚0.3 m。

該橋梁于2011年建成運行，運行過程中隨著交通量的持續(xù)增大，梁底和橋面先后出現(xiàn)破損、開裂，橋梁管理部門于2022年10月展開橋梁檢測與承載力評價，主要檢查橋梁損傷程度、類型、病害特征，并根據(jù)檢測結果推測橋梁實際承載力、運行狀態(tài)及安全等級，為養(yǎng)護處治提供依據(jù)。

2 試驗梁模型的建立

2.1 模型構建

結合對該混凝土斜拉橋病害的檢測結果，第14聯(lián)83～89跨為其最不利梁區(qū)段，故應用Midas Civil有限元軟件構建試驗梁分析模型。根據(jù)試驗梁特點，在節(jié)點和單元建立時必須確保單元與縱橫梁中心線重合，在縱梁向以1.5 m為1個單元，按照橫向尺寸進行橫向單元劃分^[1]。按照這一思路，共構建起831個單元和458個節(jié)點。

各墩頂橫隔梁和縱梁均采用C50混凝土材料，對材料彈性模量、泊松比、容重、線膨脹系數(shù)等特征值進行定義。各種混凝土材料所使用的水泥強度、運行環(huán)境、收縮齡期等不盡相同，應同時進行定義。

該文以該混凝土斜拉橋上部荷載參數(shù)展開分析，通過構建有限元模型分析。在橋梁下部支座設計中，利用一般支撐取代上部結構各個轉動與移動約束條件^[2]。

根據(jù)建設的分析模型，從研究方面出發(fā)進行如下兩個荷載分析：一是結構混凝土自重荷載數(shù)據(jù)，按2.6 t/m³取值；二是移動荷載，按照技術標準開展移動荷載計算確定，確定移動荷載車輛和工況。

2.2 控制截面理論分析計算

應用橋梁結構有限元分析軟件采用精度較高的梁格法^[3]構建試驗區(qū)段模型，并對試驗段橋梁結構受力展開理論分析。經(jīng)過對設計荷載彎矩包絡圖進行試驗橋梁段三個最不利受力截面，分別為83跨近跨中的A截面、83#墩頂B截面、84跨跨中的C截面。

3 靜載試驗過程

3.1 測試斷面及測點布置

撓度測試截面布置：在邊跨截面橫橋向設置測量點，布置3個撓度檢測部位，利用光學水準儀測定撓度參數(shù)；主跨橫橋向左、右幅、中央側分別設置一條測線，總計21個點位，獲取準確的撓度數(shù)據(jù)。

應變測試截面布置：在各橋墩墩頂最大負彎矩截面布置應力應變測試斷面。

3.2 試驗加載

3.2.1 加載車輛

該橋梁采用超-20，掛-120的設計荷載等級，根據(jù)移動荷載、靜載在最不利控制截面形成內(nèi)力基本相同的標準，利用有限元模型分析等效靜載車輛與布載分布。按照如下原則加載：

（1）盡量在加載車輛少的一側進行靜載試驗分析。

（2）為縮短對車道的占用時間，應在每一工況加載時對該工況車輛加載位置二次利用，減少車輛移動。

（3）車輛加載時應以達到具體加載項目測試為主要目的。

按照以上原則，擬定出以下幾種工況：

工況1：近跨中主梁A截面最大正彎矩加載試驗。結合現(xiàn)場試驗條件及等代效應要求，通過4輛34 t的重車展開加載，并分兩次進行；滿載后持荷0.5～1 h，一次卸荷后持續(xù)觀測0.5～1 h，此后進行主梁截面撓度和應變值檢測。

工況2：墩頂主梁B截面最大正彎矩加載試驗。通過有限元軟件展開分析，通過在最不利截面彎矩等效原則開展試驗分析，通過4輛34 t的重車分3級加載；待滿載后加載車輛在加載位置停留30～60 min，此后卸載；等受力穩(wěn)定后由應變儀檢測主梁截面應變。

工況3：跨中主梁C截面最大正彎矩加載試驗。即通過4輛34 t的重車展開加載，待加載至滿載狀態(tài)后試驗車輛原位停留30～60 min，此后卸除荷載，進行主梁截面撓度與應變測試。

以上幾種工況下所使用的試驗車輛依次編號為1#試車、2#試車、3#試車和4#試車，車牌號分別為粵AD5102、粵AD54PC、粵AQ437R、粵AQ36D1；全部試車前軸距均為3.2 m，后軸距均為1.35 m，前輪距為2 m，后輪距為1.8 m，前軸重68 kN，后軸重272 kN，總重量340 kN。

3.2.2 加載效率

根據(jù)國家標準的要求，為了使得靜力荷載試驗能達到應有效果，并能根據(jù)設計荷載開展最不利控制截面結構相應分析，需要將驗收荷載試驗效率進行確定，將其處于0.85～1.05之間，將鑒定性試驗效率系數(shù)取值控制在0.95～1.05之間。靜力荷載試驗荷載效率系數(shù)^[4]按下式計算：

式中，η_q——靜力荷載試驗荷載效率系數(shù)；S_s——按設計荷載等效的試驗靜載在最不利截面產(chǎn)生的最大變形或內(nèi)力；S——設計荷載在最不利截面產(chǎn)生的最大變形或內(nèi)力；μ——試驗沖擊系數(shù)。

結合試驗參數(shù)進行分析，該次混凝土斜拉橋靜力荷載試驗數(shù)據(jù)可見表1。分析表內(nèi)數(shù)據(jù)信息，靜載試驗荷載效率取值應達到標準要求，執(zhí)行設計荷載等效試驗靜載最不利截面形成的影響要素與設計荷載在相同截面的最不利影響是基本相同的，說明應用等效靜載所評估的橋梁工作性能、受力特性等切實合理。

4 靜載試驗結果

為降低溫度變化對試驗過程及結果的影響，靜載試驗安排在2022年10月22日晚間23：00至次日凌晨4：00之間展開，試驗歷時5 h，試驗期間環(huán)境溫度變化不超出2 ℃，故溫度的影響可忽略不計。

4.1 各控制截面試驗結果

根據(jù)實橋車輛荷載分級加載得出的各測點實測值和理論值的對比，展開混凝土斜拉橋實際受力以及剛度和強度是否滿足要求的分析。

4.1.1 主梁A截面測試結果

受到等效荷載分級加載作用后該截面各測點撓度實測值和計算值匯總見表2，表中“+”表示上翹，“?”表示下?lián)稀Ｖ髁篈截面滿載狀態(tài)下靜力荷載試驗效率最大部位L3測點處撓度實測值為5.13 mm，卸荷后殘余撓度為

0.12 mm，彈性撓度5.04 mm，結構應變理論值為5.21 mm，校驗系數(shù)0.95，相對殘余應變?yōu)?.34%。所有測點校驗系數(shù)取值均不超出1；最大相對殘余應變實測值取17.41%，未超出20%的規(guī)范要求；滿載情況下各測點校驗系數(shù)與相對殘余應變值均符合試驗規(guī)程，表明該斜拉橋處于線彈性工作狀態(tài)，結構剛度較好并存在一定富余。

受到等效荷載分級作用后，主梁A截面應變實測值和計算值對比情況見表3，表中“+”表示拉應變，“?”表示壓應變。根據(jù)表中結果，主梁結構在滿載狀態(tài)下測點Y-1試驗效率最大，實測應變?yōu)?29.1 με，卸荷后殘余應變降至14.9 με，實測彈性應變?yōu)?12.8 με，理論應變?yōu)?31.7 με，校驗系數(shù)取0.86，相對殘余應變?yōu)?1.85%。各個點位的校驗系數(shù)與相對參與應變發(fā)生較大變化，但是都達到要求，說明斜拉橋為線性彈性變化條件，剛度性能較好，具備一定安全裕量。

4.1.2 主梁B截面測試結果

受到等效荷載分級作用后，該截面應變實測值和計算值對比情況見表4，表中“+”表示拉應變，“?”表示壓應變。根據(jù)表中結果，主梁結構在滿載狀態(tài)下測點Y-1試驗效率最大，實測應變?yōu)?10.9 με，卸荷后殘余應變降至13.1 με，實測彈性應變?yōu)?8.7 με，理論應變?yōu)?24 με，校驗系數(shù)取0.8，相對殘余應變?yōu)?1.64%。各個點位的校驗系數(shù)與相對參與應變發(fā)生較大變化，但是都達到要求，說明斜拉橋為線性彈性變化條件，剛度性能較好，具備一定安全裕量。

4.1.3 主梁C截面測試結果

在等效荷載分級加載作用下此截面測點撓度實測值和計算值見表5，表中“+”表示上翹，“?”表示下?lián)?。該截面滿載狀態(tài)下靜力荷載試驗效率最大部位C3測點處撓度實測值為1.38 mm，卸荷后殘余撓度為0.242 mm，彈性撓度1.114 mm，結構應變理論值為1.29 mm，校驗系數(shù)0.83，相對殘余應變?yōu)?7.42%。各測點校驗系數(shù)值和相對殘余應變實測值均符合要求，表明結構處于線彈性工作狀態(tài)，結構剛度好，存在一定安全富余。

在等效荷載分級作用后，該截面實測應變和計算應變對比情況見表6，表中“+”表示拉應變，“?”表示壓應變。根據(jù)結果，主梁結構在滿載狀態(tài)下測點Y-1試驗效率最大，實測應變?yōu)?04.8 με，卸荷后殘余應變降至11.9 με，實測彈性應變?yōu)?4.2 με，理論應變?yōu)?08.1 με，校驗系數(shù)取0.87，相對殘余應變?yōu)?1.84%。各測點校驗系數(shù)值和相對殘余應變實測值均符合要求，該結構也處于線彈性工作狀態(tài)，剛度好，安全富余大。

4.2 裂縫分析

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG3362—2018）中的相應條款的要求，展開混凝土斜拉橋的裂縫寬度參數(shù)的測量。該橋梁運行環(huán)境屬于Ⅰ類^[5]，根據(jù)試驗結果，開始到結束各個變形部位上最不利截面均沒有發(fā)生加載裂縫，說明結構穩(wěn)定性符合試驗規(guī)程。

5 結論

該文應用Midas Civil有限元軟件展開分析，構建分析模型，進行某混凝土斜拉橋最不利試驗路段模型靜力荷載試驗，利用設計荷載彎矩包絡圖來確定最不利控制截面，根據(jù)等效原則分析確定試車靜載與加載的部位，這些都會給靜載試驗提供幫助。試驗參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，該次混凝土斜拉橋各個點位的靜力荷載相對參與變形在20%以內(nèi)，表示處于彈性作業(yè)狀態(tài)；各個點位校驗數(shù)據(jù)在1以內(nèi)，表明橋梁結構實際剛度和強度均優(yōu)于理論水平，橋梁實際承載力滿足原設計荷載等級要求，橋梁運行狀態(tài)良好。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-15

作者簡介：彭軍（1985—），男，大專，工程師，從事工程檢測工作。