某扩建简支空心板桥静载试验研究

罗春福，刘 垚，高 振，欧世坤，艾 军

（1.宿迁市公路管理处，江苏 宿迁223800；2.南京航空航天大学土木工程系，江苏 南京210016）

0 引言

桥梁作为交通运输线中的重要枢纽，为促进区域经济发展和文化科技交流发挥出至关重要的作用。但在长期使用过程中，桥梁会发生各种结构损伤，损伤的原因可能是人为因素，也可能是自然灾害[1]。此外，随着交通量的不断增加，载重标准也不断提高，很多旧的桥梁已经不适应现代交通的通行要求[2]。这些因素不仅引起桥梁结构的损伤，加剧其自然老化，而且可能直接导致其承载能力和耐久性的降低，严重影响桥梁的正常使用和运营安全。

因此，客观、科学地评定桥梁承载能力显得十分重要[3]。静载试验是通过测试桥梁结构在试验荷载作用下控制截面的应变、位移或裂缝，分析判断桥梁的承载能力[4]。正确地运用静载试验，可以对所测桥梁的行车性能做出科学评估，为安全运营提供必要技术参数，还可为评价其他复杂结构桥梁受力性能提供参考[5]。本文通过对某在役钢筋混凝土空心板桥进行静载试验测试，以评估其现有承载能力，为后期维修与加固措施奠定试验基础。

1 工程概况

该桥于2010 年进行改扩建，桥跨中心线与道路中心线正交，为3 跨简支板桥，跨径组成为3×13m，改扩建后桥面总宽26m，其中，老桥部分宽12.75m。上部结构为预应力混凝土空心板，下部结构采用柱式墩、桩基础。本次的测试对象为老桥靠近桥台的半跨部分，每跨横向由12 片预应力空心板组成，板厚67cm，中板宽99cm，边板宽137cm，板间铰缝宽1cm。预制空心板、铰缝及桥面整体现浇混凝土强度等级为C50，墩桩、桩基及台帽混凝土为C30。桥面布置为：0.75m（护栏）+11.5m（行车道）+0.5m（护栏）。设计荷载为汽—20 级、挂—100 级。主梁横断面布置图如图1所示。

图1 主梁横断面示意图（单位：cm）

2 静载试验设计

2.1 测试截面和工况设置

该桥为预制空心板桥，跨径为13m，控制截面取跨中及支点截面，重点考察跨中截面；由于桥面对称，选取半幅板为测试板，总共6块板。

静载试验采用汽车加载，对控制截面的最不利荷载用试验车辆，按静力等效原则进行模拟，加载单车总重340kN。根据考察荷载横向分布的需要及理论计算确定的不利加载工况，本试验取四个荷载工况如下：

（1）工况Ⅰ：横向分布加载，1辆车，分五级加载；

（2）工况Ⅱ：跨中截面弯矩控制对称加载，3辆车，分三级加载；

（3）工况Ⅲ：跨中截面弯矩控制偏载，3 辆车，分三级加载；

（4）工况Ⅳ：支点截面剪力控制加载，不分级。

2.2 测点布置

测试桥梁单跨由12 片预制空心板组成，取半幅桥进行测试。在跨中截面每片板两边各布置一个应变片，在板中布置一个位移计；支点截面在每片板下布置一个位移计，并在边板侧面布置一个应变花。全桥共布置18 个应变片、14 个位移计。

3 理论分析及试验结果

3.1 理论计算模型

本桥梁的设计荷载为汽—20，挂—100。行车道宽11.5m，双向行驶，根据《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）设计车道应为3车道，故在理论分析时按3车道考虑，车道折减系数取0.78[6]。

本文采用Midas有限元软件建立梁格模型，计算模型采用12组纵梁单元模拟12片梁，每片板划分为13个单元，预制板上加10cm厚整体板单元模拟现浇桥面板，纵向同样划分为13个单元，横向铰缝位置处释放梁端约束。全桥有限元模型如图2所示。

图2 全桥有限元模型

3.2 横向连接性能测试结果分析

该桥上部结构由12 片空心板组成（测区边板记为1#板，板编号依次增大），各片板之间采用铰缝连接，故各片板横向分布系数可按铰接板法计算。此外，通过静载试验得到工况Ⅰ各级荷载下各片板跨中实测挠度值，可计算实测横向分布系数。跨中截面横向分布系数理论值和实测值对比如图3所示。

图3 跨中截面横向分布系数对比

由图3可知，实测值与计算值分布趋势吻合较好，各级荷载下3#、4#、6#板受力比计算值偏大，而边板1#、2#板受力偏小；荷载作用位置处板的挠度明显，表明横向联系偏弱，各板之间传力性能未能达到理论计算状态，尤其2#、3#板之间横向联系较弱，数据出现明显波动。

3.3 挠度测试结果分析

跨中测点在工况Ⅱ、Ⅲ下挠度实测值与计算值对比如表1所示。

表1 挠度实测值与理论值对比（单位：mm）

表1（续）

由表1可见，工况Ⅱ、Ⅲ各组荷载作用下，跨中截面各测点的挠度校验系数大部分在0.5～0.8 之间，最大值为0.88，最小值为0.22。所有实测挠度均小于计算挠度，表明实桥的状态优于计算状态。各片板刚度良好，能够满足正常使用要求。此外，各片板跨中截面挠度在工况Ⅱ、Ⅲ各组荷载作用下呈线性增长，且线性相关性较好，表明片板处于良好的弹性工作状态。

3.4 残余挠度分析

残余挠度分析可以反映板的工作状态，相对残余变位越小，说明结构越接近弹性工作状况。工况Ⅲ荷载作用下跨中截面各测点残余挠度相关计算如表2所示。

表2 跨中截面残余挠度计算表

由表2可见，在工况荷载Ⅲ下跨中截面测点的残余挠度均很小，相对残余挠度均小于规定限值的20%，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011），判断各工况下各片板处于弹性工作阶段。

3.5 应变测试结果分析

每片板下贴2个应变片，取两个应变片的平均读数作为该片板的应变读数。实测过程中发现3#、5#板下的应变片失效，故此处仅分析1#、2#、4#、6#板的应变。在工况Ⅱ、Ⅲ各级荷载下，实测弹性应变及计算应变如表3所示。

表3 试验荷载作用下跨中测点实测应变与计算应变对比（με）

由表3可知，工况Ⅱ、Ⅲ下的各片板跨中截面各测点应变校验系数离散性很大，部分数据超过1，尤其以2 号板和6 号板超限数值较多。应变测试数据总体不是很理想，分析其原因主要是混凝土简支梁桥应变数值小，测试误差影响大，而且实测应变漂移较大。故在此处只能用作辅助判断。

3.6 裂缝分析

由于板为预应力混凝土预制板，小跨径预应力桥梁往往按照A类构件进行设计，不允许出现横向裂缝，但是该桥在检测过程中发现横向裂缝，因此，对工况Ⅱ、Ⅲ下3#和6#跨中附近板底两条具有代表性裂缝宽度进行记录，如表4所示。

表4 工况下跨中板底裂缝宽度值（单位：mm）

由表4 可知最大缝宽初始为0.12mm，最大缝宽0.2mm，已超过预应力B类构件的横向裂缝宽度限值；且裂缝随荷载增大有扩张现象。由3#、6#板板底裂缝的出现扩张，而且板底应变校验系数较大，判断这两片板的预加力效应较理论值小，表明板的受力状态较差。

4 结论

（1）实测荷载下横向分布系数与计算结果趋势吻合良好；但3、4、6#板荷载分布系数较计算值偏大，表明板间的实际横向联系稍显薄弱，与计算状态有差异，尤其2、3#板之间的横向联系较弱。

（2）跨中截面各测点的挠度校验系数均满足规范要求，表明各片板的刚度优于计算状态，跨中截面测点的残余挠度均很小，相对残余挠度均小于限值20%，表明各级工况下各片板处于弹性工作状态。

（3）板的应变校验系数有部分超过1，表明混凝土的实际应力较计算值偏大；3、6#板板底横向裂缝随加载而扩张，表明3#、6#板的预应力效应偏弱，导致混凝土实际应力较大。

（4）基于以上荷载试验结果，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011），判断该桥在正常使用状态下其承载能力满足汽—20，挂—100级要求。

[1] 吴志勤. 桥梁检测技术及其发展趋势简述[J]. 山西建筑，2007，33（13）：278-279.

[2] 杨怀英.基于静载试验与仿真分析的旧桥承载力评估[J].安徽建筑，2012（2）：186-193.

[3] 吴建军，陈和，张启伟，等.现场桥梁静载试验评定与分析[J].公路，2004（12）：62-65.

[4] 宋博琪，傅红丽，马秀君，等.桥梁的静载与动载试验[J].公路，2002（9）：26-29.

[5] 陈颖，艾军，张丽芳，等.某五跨预应力连续梁桥静载分析[J].结构工程师，2008，24（2）：85-88.

[6] JTG B01—2003，公路工程技术标准[S].

[7] JTG/T J21—2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[8] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].