霍衛(wèi)安

（甘肅省建設監(jiān)理有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

橋梁靜載試驗是通過測定試驗荷載作用下橋梁主控截面的應變和撓度，從而確定橋梁的真實受力狀態(tài)、使用性能以及安全度，最終對試驗結(jié)構(gòu)的可靠性和是否滿足有關公路橋梁規(guī)范及設計要求做出評價[1-2]。以往諸多學者在橋梁靜載試驗方面做了大量研究，為橋梁工程設計、檢測加固與評估等方面提供了理論依據(jù)[3-6]。

肖宇等[7]以某既有橋梁的靜載試驗檢測為例，對橋梁靜載試驗做了簡要說明，為橋梁工程的檢測提供了有益參考。李玉梅[8]以某橋梁工程為例，介紹了靜載試驗檢測方法，并對橋梁的承載能力進行了評定分析。毛訓波和楊濤[9]通過立足實際，對橋梁靜載試驗檢測技術應用要點進行了分析?？蝶怺10]通過深入探討靜載試驗檢測技術，結(jié)合工程實例，對靜載試驗檢測技術的有關內(nèi)容做了進一步的分析與闡述。胡銀浩[11]結(jié)合橋梁檢測具體工程案例，對靜載試驗檢測的相關內(nèi)容進行了分析與探討。張茵濤[12]以某既有橋梁為研究對象，基于靜載試驗，分析了橋梁實際工作狀態(tài)及承載能力。劉忠平和戴公連[13]以兩根預應力型鋼混凝土梁為研究對象，對其進行靜載破壞試驗，并探究疲勞荷載對預應力型鋼混凝土梁服役性能的影響。王丹[14]采用動、靜載試驗分別分析了橋梁承載力在不同位置施壓后應力應變的變化規(guī)律。向洪等[15]對橋梁靜載試驗中存在的一些問題做了分析，并結(jié)合實際工程案例，為靜載試驗評定橋梁承載能力提供了有價值的參考意見。王凌波等[16]在研究中提出了校驗系數(shù)影響因子的概念，并建立了理論校驗系數(shù)的推算方法。彭文禮[17]基于工程背景，利用Midas Civil對橋梁結(jié)構(gòu)進行了動、靜載試驗。鄭宗鶴和樊聰鎬[18]同樣采用有限元法，對既有橋梁進行動、靜載試驗，完成了結(jié)構(gòu)的承載力評估。田帥帥等[19]結(jié)合一座預應力簡支空心板橋的現(xiàn)場靜載試驗實例，演繹了既有橋梁承載力評估過程。

通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，以往學者對橋梁承載力的研究方法主要有2種，即實測試驗研究法和有限元分析法，而在進行靜載試驗之前，首先通過有限元確定測點位置，再根據(jù)所確定的測點位置進行橋梁靜載試驗的研究較少。因此本研究基于以往學者的研究基礎，采用實測試驗研究法和有限元分析法相結(jié)合的方法，對某市預應力簡支箱型梁橋進行靜力荷載試驗研究，即先根據(jù)橋梁實際情況和相關規(guī)范要求，運用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元計算模型，并進行理論計算分析，從而確定測點布置位置，再通過有限元進一步計算出各測點位置的應變理論值與撓度理論值，將其理論結(jié)果與靜載試驗實測結(jié)果進行對比分析，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對該橋梁的承載能力（抗裂性、強度和剛度）進行分析與評定。本研究在橋梁靜載試驗設計中，分別設計了2個試驗工況，即橋梁跨中截面在最大正彎矩截面中載和偏載下的應力、豎向撓度和裂縫觀測，并分別給出了2種測試工況下應變與撓度測點分析結(jié)果對比圖。

2 工程概況

某部訓練場改建工程K3+864處北大河橋梁位于甘肅省嘉峪關市。橋梁結(jié)構(gòu)形式為12 m×30 m后張法預應力簡支箱形梁橋，其中橋梁單跨計算跨徑為29.92 m，橋梁寬度為18 m，高度為1.6 m，頂板的寬度與厚度分別2.4 m和0.18 m，底板的寬度與厚度分別1.0 m和0.18 m，腹板厚度為0.2 m，橋面橫坡坡度為雙向2.0%，縱坡坡度為-1.08%。設計荷載標準為公路Ⅰ級《公路工程技術標準》（JT GB01—2014）。如圖1所示為橋梁立面圖，圖2所示為橫斷面圖。

圖1 橋梁立面圖（單位：m）

圖2 橋梁1-1斷面處橫斷面圖（單位：m）

3 建立有限元模型

根據(jù)橋梁實際情況和相關規(guī)范要求，運用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元計算模型。通過空間有限元法對該橋進行了理論計算分析，根據(jù)設計汽車活荷載（公路Ⅰ級）作用下的內(nèi)力包絡圖確定實驗荷載以及加載截面位置，從而進一步確定測點布置位置。通過有限元模型，分別計算出各種工況下測點位置的應變理論值及撓度理論值，再將其理論結(jié)果與實測結(jié)果進行對比分析，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對該橋的承載能力進行評估和判定。

橋梁試驗跨上部結(jié)構(gòu)有限元計算模型如圖3所示。其中，該橋梁采用C50混凝土，混凝土彈性模量E=3.45×104MPa，混凝土泊松比為0.2，混凝土線膨脹系數(shù)為1×10-5。

圖3 30 m簡支箱梁試驗跨計算模型

4 靜力荷載試驗

4.1 試驗內(nèi)容

本橋靜載試驗采用東華測試技術有限公司生產(chǎn)的DH3816靜態(tài)測試儀（64通道），測試內(nèi)容根據(jù)北大河橋的現(xiàn)場情況，選擇北大河橋第3跨30 m簡支箱梁（68217部隊方向）作為試驗對象，該跨由6片30 m的簡支箱梁組成，對控制截面在最不利設計荷載作用下的應變、豎向撓度進行測試及裂縫觀測。本橋靜載試驗設計了2個測試工況，其中各工況測試項目及測試內(nèi)容見表1。

表1 各工況測試項目及測試內(nèi)容

工況一：跨中截面在最大正彎矩截面中載下的應力、豎向撓度和裂縫觀測；

工況二：跨中截面在最大正彎矩截面偏載下的應力、豎向撓度和裂縫觀測。

4.2 測點布置

為科學地進行該橋梁的荷載試驗，故運用有限元軟件Midas Civil進行詳細的計算分析，并根據(jù)設計汽車活荷載（公路Ⅰ級）作用下的內(nèi)力包絡圖確定試驗荷載以及加載截面位置，從而進一步確定測點布置位置。

（1）應變測點布置

總計布置6個應變測點，所有應變測點布置于箱梁混凝土下表面上，且沿橋梁軸線方向布置，測點編號為A1～A6，并挑選適宜位置布置補償點應變片，跨中截面應變測點布置圖如圖4所示，應變測點平面布置圖如圖5所示。

圖4 跨中截面應變測點布置圖（A1～A6▅：應變片位置）

圖5 跨中截面應變測點平面布置圖（A1～A6▅：應變片位置）

（2）撓度測點布置

總計布置12個撓度測點，位于混凝土箱梁底部，測點編號為D1～D12，跨中截面撓度測點布置圖如圖6所示，撓度測點平面布置圖如圖7所示。撓度測量采用多點視頻動靜態(tài)位移監(jiān)測系統(tǒng)。

圖6 跨中截面撓度測點布置圖（D1～D6▅：反光片位置）

圖7 跨中截面撓度測點平面布置圖（D1～D12▅：反光片位置）

4.3 靜載試驗荷載值及加載效率

工況一和工況二靜力加載均需要加載車4輛，每輛車約重550 kN，具體車輛參數(shù)見表2。各工況作用下的荷載值、荷載效率系數(shù)見表3、表4，從表3和表4可以看出，所有工況的荷載效率系數(shù)均介于0.95～1.05，處于規(guī)范規(guī)定的范圍。

表2 加載車主要參數(shù)

表3 靜載工況的荷載效率系數(shù)（中載）

表4 靜載工況的荷載效率系數(shù)（偏載）

4.4 加載方式與分級加載

本橋加載分為3級加載，2級卸載，其靜載試驗加載程序如下：

（1）預加載：零載→50%荷載值→零載。

（2）正式加載：零載→工況I-1（50%）→工況I-2（75%）→工況I-3滿載（100%）→工況I-4（50%）→零載。

4.5 靜載試驗程序

基于試驗方案，靜載試驗程序主要分為4個關鍵步驟，分別為：

（1）在箱梁混凝土表面上確定測點位置，將其打磨找平，清理干凈，并對測點位置進行編號。

（2）在處理好的測點位置處粘貼應變片，并將應變片與信號傳輸線路連接良好且接入應變采集系統(tǒng)。

（3）接線聯(lián)機后進行試調(diào)工作，檢查各測試元件是否處于良好的工作狀態(tài)；當各測試元件處于正常工作狀態(tài)后，進行預壓工作，進一步檢查測試元件是否處于良好的工作狀態(tài)。

（4）正式加載，并進行數(shù)據(jù)采集。試驗過程中值得注意的是，為了盡可能減少非彈性撓度的影響，首先進行預壓工作，然后再進行正式加載工作，并且當某一級加載到位后，將加載汽車熄火狀態(tài)保持2 min及以上，待數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定后再進行數(shù)據(jù)記錄；同樣，在卸載過程中，待卸載后2 min以上，再采集殘余數(shù)據(jù)。

5 靜載試驗結(jié)果與分析

5.1 應變測試結(jié)果分析

各測點應變測試結(jié)果見表5、表6，應變測點分析結(jié)果對比圖如圖8、圖9所示。

圖8 應變測點分析結(jié)果對比圖（工況一）

圖9 應變測點分析結(jié)果對比圖（工況二）

表5 各測點應變測試分析結(jié)果

表6 各測點應變測試分析結(jié)果

通過觀察表5、表6以及圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，應變實測曲線與應變理論曲線的變化規(guī)律都基本一致，實測值均小于應變值，且應變校驗系數(shù)均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）小于1.0的要求，因此，該橋梁實測強度滿足設計要求；卸載后，相對殘余應變均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）小于20%的要求，說明橋梁處于彈性工作狀態(tài)。通過進一步觀察2種工況下應變測點分析結(jié)果對比圖可以發(fā)現(xiàn)，雖然實測應變值均小于理論應變值，且橋梁實測強度滿足設計要求，但是實測應變值與理論應變值之間存在一定差值，這一差值的產(chǎn)生是由靜載試驗過程中某些因素而導致，如試驗當天天氣情況的客觀因素影響，貼應變片前對橋梁截面的清潔處理未能達到絕對干凈，以及應變片膠水對應變片完全變形的束縛等，這些因素均會對橋梁變形信號的傳遞造成干擾，致使應變片所接收的橋梁變形信號稍微變?nèi)?。因此，在靜載試驗中所得到的實測應變值與理論應變值存在偏差。

5.2 撓度測試結(jié)果分析

各測點位移測試結(jié)果見表7、表8，撓度測點分析結(jié)果對比圖如圖10、圖11所示。

圖10 撓度測點分析結(jié)果對比圖（工況一）

圖11 撓度測點分析結(jié)果對比圖（工況二）

表7 各測點位移測試分析結(jié)果

表8 各測點位移測試分析結(jié)果

通過觀察表7、表8以及圖10、圖11同樣可以發(fā)現(xiàn)，撓度實測曲線與撓度理論曲線的變化規(guī)律也都基本一致，實測值均小于理論值，且撓度校驗系數(shù)均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J 21—2011）小于1.0的要求，因此，說明橋梁梁板的剛度滿足設計要求；相對殘余撓度均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）小于20%的要求，說明橋梁處于彈性工作狀態(tài)。通過進一步觀察2種工況下?lián)隙葴y點分析結(jié)果對比圖同樣可以發(fā)現(xiàn)，雖然實測撓度值均小于理論撓度值，且橋梁梁板的剛度滿足設計要求，但是實測撓度值總之與理論撓度值之間存在一定差值，這一差值的產(chǎn)生和應變測試中產(chǎn)生差值的原因相同，也是受到試驗當天天氣情況的客觀因素影響，貼反光片前對橋梁截面的清潔處理未能達到絕對干凈，以及反光片膠水對反光片完全變形的束縛等因素的影響，從而對橋梁變形信號的傳遞造成干擾，致使反光片所接收的橋梁變形信號稍微變?nèi)?。因此，在靜載試驗中所得到的實測撓度值與理論撓度值存在偏差，且實測撓度值均小于理論撓度值。

5.3 結(jié)構(gòu)表觀觀測

通過對北大河橋梁結(jié)構(gòu)進行表觀觀測發(fā)現(xiàn)：北大河橋梁的內(nèi)外輪廓線順滑清晰；欄桿和護欄均牢固、直順、美觀；橋面鋪裝瀝青混凝土表面平整密實且無泛油、松散、裂縫、明顯離析等現(xiàn)象；伸縮縫無阻塞、變形、開裂現(xiàn)象，狀態(tài)良好；泄水管安裝到位，不阻水；橋面無低凹，排水良好；結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異響、混凝土破損等異常情況，且未發(fā)現(xiàn)主梁有裂縫產(chǎn)生。

6 結(jié)語

本研究以某橋梁為研究對象，運用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元計算模型，并進行理論計算分析，從而確定測點布置工況。通過有限元計算分析，便可以計算出工況一和工況二各測點位置的應變理論值和撓度理論值，再將計算所得到的理論結(jié)果與實測結(jié)果進行對比分析，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）對該橋梁的承載能力進行評估和判定。

試驗表明，靜載試驗所得到的實測值（應變值與撓度值）均小于理論值，且均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的要求，說明該橋梁的強度與剛度均為良好以及橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。在試驗過程中，橋梁結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異響、混凝土破損等異常情況，未發(fā)現(xiàn)主梁有裂縫產(chǎn)生。因此，靜載試驗結(jié)果表明該橋梁性能良好，承載能力滿足設計要求，并且本研究所采用的靜載試驗設計方案、分析方法可供其他類似工程分析參考。