在役预应力混凝土梁桥静载试验

张茵涛

(大西铁路客运专线有限责任公司，山西 太原　030027)

桥梁是地面交通的纽带，其安全性对人们生命、财产安全有着重要意义。然而环境腐蚀作用、地基沉降、超负荷服役、施工缺陷等均不断给桥梁安全带来隐患，同时复杂的工作环境，使得桥梁结构理论受力状态与实际服役中受力状态存在差异，因此现场原位试验对在役桥梁工作状态的掌握有着重要价值[1]。

桥梁结构静载试验，是目前在役桥梁检测中的一项重要检测方法，通过在指定位置施加预期荷载的方式模拟实际工作状态，并根据指定位置截面的应力、挠度等参数变化规律，结合理论分析结果，经综合对比研究可以得到桥梁的安全承载力，同时还可以找出一些难以发现的隐蔽病害[2- 4]。

1　工程概况

一桥梁于2011年建成并投入使用至今。全桥共5跨，总长度为94.16 m，见图1。桥面宽度为10 m。设计荷载等级为公路-Ⅰ级。上部结构采用预应力箱梁，支座形式均为板式橡胶支座；下部结构分别为柱式桥台、桩基础及盖梁柱式墩、桩基础。桥面结构为18 cm 湿接缝、8 cm水泥混凝土调平层、10 cm沥青混凝土铺装层。

图1　桥梁布置示意(单位：m)

2　有限元分析

该桥计算分析采用空间有限元软件MIDAS/Civil。该软件对预应力箱形梁桥、悬索桥、斜拉桥以及水化热分析等土木建筑的分析中所需的各种功能作了综合的考虑，适用于多种形式的桥梁分析与设计。

1)计算参数

设计荷载：公路-Ⅰ级；

结构材料：C50混凝土；

汽车荷载系数：1-1#梁横向分布系数为0.598,1-2#梁横向分布系数为0.607，纵向折减系数为1.0。

2)计算模型

主桥连续梁桥模型均采用空间梁单元模拟，全桥共离散为93个节点，92个单元。

3)活载包络图

根据上述荷载情况，分析得到活载作用下桥梁的弯矩包络图，可知边跨跨中弯矩值最大。

3　静载试验

静载试验是在计算位置施加静荷载，并对控制截面的位移、应变等参数进行测试，从而对在役桥梁现状荷载作用下的工作性能作出准确的判断与评价[5-6]。本次静载试验的目的：通过实测控制截面的应力、挠度，了解桥梁的实际工作状态，判断与设计是否吻合，确定在役桥梁是否处于正常工作状态;通过有限元理论计算值与实测值的对比分析，判断桥梁的承载力是否满足要求；现场实测结果为桥梁的日常维护、加固及改造提供必要的依据。

3.1　加载方式

本次试验选用32 t三轴汽车加载，并根据等效荷载效应(包括应力、应变等)进行加载控制。静力荷载试验效率ηq为试验荷载与设计荷载效应等效程度的参数，见公式(1)。由于在役桥梁长期处于复合受力状态，且周边环境对其影响较大，通常情况下对ηq取值要求较为严格，应介于0.95～1.05之间[7]。

(1)

式中：S为静力试验中控制断面的最大荷载效应；S′为设计荷载作用下相同截面的最不利荷载效应；μ为规范规定的冲击系数。

根据本工程特点选用不同车型进行加载试验。加载车主要技术资料见表1。

表1　加载车主要技术资料

根据上述有限元模型计算结果，可以得到该桥梁的荷载效率，见表2。

表2　静力荷载试验加载效率

3.2　加载过程

本次试验将采用分级加载方式进行，共分为4级。进行下一级加载前应确保结构处于稳定状态，并按照指定位置逐级加载。稳定状态的判定：加载后结构控制截面的最大变位测点最后5 min内的变位增量小于最初5 min变位增量的15%，则可以近似认为结构处于稳定状态，且结构加载趋于稳定状态的时长不应小于15 min。

试验加载过程由专人统一指挥，及时掌握各方面情况，根据试验数据的实时分析情况安全有序地实施加载计划。

3.3　测点布置

结合本次试验目的及箱形截面梁受力特点，依据MIDAS/Civil分析所得内力包络图，测点布置见图2。其中1-1#梁～1-4#梁测点为挠度测点(与梁号相同)，1#～8#测点、11#～13#测点及21#～23#测点为应力测点。

图2　控制截面及测点布置(单位：cm)

4　试验结果分析

4.1　挠度

静载试验满载作用下得到该桥梁的挠度如图3所示。可知：该桥梁边跨跨中各检测点的挠度实测值与计算值趋势基本相同；沿主梁横向实测挠曲线较为平缓，在主梁断面各位置无突变；实测挠曲线相比于理论挠曲线曲率较小。此外，实测挠度值均介于弹性挠度值与计算挠度值之间，可见卸载后该桥梁存在一定的残余变形，相对残余变形介于7.8%～9.2%之间，均小于20%。上述现象均表明在试验过程中各主梁协同受力，主梁横向联系较好，且相邻主梁间横向刚度大于理论计算值，该桥梁结构在静载试验过程中能够较好的保持弹性工作状态。

4.2　应力

满载作用下该桥梁下翼缘各测点的应力分布情况如图4所示。图中各测点应力值均为拉应力(负值)，符合该桥梁的受力特性；满载时实测应力值、弹性应力值及计算应力值分布趋势基本相同，且弹性应力值与计算应力值基本接近，且均小于满载时实测应力值。由此可知，卸载后各测点均存在一定的残余应力，经计算残余应力值介于7.8%～10.7%之间，均小于20%，故该桥梁控制截面下翼缘板能够在试验过程中保持良好的弹性工作状态。

图4　下翼缘板底应力测试结果

图5　腹板应力测试结果

满载作用下该桥梁腹板各测点的应力分布见图5。腹板各测点实测应力值基本小于计算应力值，各测点在满载作用下均处于弹性状态；腹板各测点应力曲线与腹板集合外形基本相同，且未出现应力突变现象，符合设计要求，截面形式合理。上述现象均说明该桥梁在满载作用下，腹板能够保持良好的弹性工作状态。

上述应力测试结果均表明，该桥梁各控制截面在满载作用下能够保持良好的弹性工作状态，截面应力均未出现凸显现象，符合平截面假定的要求。

4.3　校检系数

在役桥梁结构工作性能评定中校检系数ζ是一个重要的指标。该指标可以根据静载试验中弹性变形指标(包括应力、应变等)与相应的理论计算值的比值确定[8-9]。计算公式为

(2)

式中：Se为试验荷载作用下主要测点的实测弹性变位或应变值；Ss为试验荷载作用下测点的理论计算变位或应变值。

根据相关规范规定，当ζ<1时，则表示桥梁结构的实际工作状态良好，能够满足要求，且理论计算较保守，具备足够安全储备。

根据上述计算及实测结果，得到该桥梁的校检系数如图6所示。可以看出校检系数均介于0.7～0.8之间，满足相关规范要求，进一步表明该桥梁具有足够的安全储备。

图6　校检系数分布情况

5　结论

为分析在役桥梁的承载能力，开展了在役桥梁挠度、应力测量的静载试验，分析了该在役桥梁现状工作状态，得到如下主要结论：

1)该桥静力荷载试验荷载效率介于0.97～1.02之间，满足相关规范标准的要求，同时表明试验荷载所产生的最不利效应可反映设计规范基本可变荷载效应的特征。

2)试验过程中各主梁协同受力，主梁横向联系较好，挠度、应变曲线均平缓，且残余变形均小于20%，表明该桥梁结构在静载试验过程中能够较好的保持弹性工作状态，且控制截面变形与平截面假定吻合。

3)实测的主梁控制截面校验系数在0.7～0.8之间，表明结构强度和竖向刚度能够满足设计要求。

综上所述，该在役桥梁工作性能良好，受力状态与计算结果吻合，安全储备较高。

[1]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.

[2]吴建奇,郑晓,张婷婷.桥梁检测中的静载试验研究[J].铁道建筑,2011,51(2):42-44.

[3]陈孝珍,朱宏平,陈传尧.基于静载试验的桥梁安全性评价[J].土木工程与管理学报,2005,22(3):37-39.

[4]向洪,杨春林,龚江烈.静载试验评定桥梁承载能力的问题探讨[J].公路工程,2013(6):217-219.

[5]王春平.某钢桁架桥静载试验研究[J].土木工程与管理学报,2011,28(1):76-79.

[6]傅光奇,吕梁,贾毅,等.钢板加固简支梁桥静载试验研究[J].铁道建筑,2017,57(6):24-27.

[7]唐峰.某连续箱梁桥静载试验分析[J].公路工程,2012,37(3):191-194.

[8]王凌波,蒋培文,马印平,等.桥梁静载试验校验系数及优化评定方法研究[J].公路交通科技,2015,32(6):62-68.

[9]徐长峰,高崇威.统一模型下的桥梁静载试验挠度校验系数分析[J].公路,2016(12):97-100.