基于静载实测数据的钢- 混组合结构桥梁状态评估

2019-12-19苏跃华牛昌林李喜梅

城市道桥与防洪 2019年12期

苏跃华，牛昌林，李喜梅

（1.甘肃省建设投资（控股）集团总公司，甘肃兰州730050；2.甘肃建投科技研发有限公司，甘肃兰州730050；

3.兰州理工大学西部土木工程防灾减灾工程研究中心，甘肃兰州730050）

0 引言

随着我国经济的快速发展，交通运输量与日俱增，桥梁作为交通的枢纽工程，其重要性不言而喻。为确保桥梁结构安全、稳定，在竣工验收时一定要依据相关规范对桥梁进行检测评估。通过对桥梁进行详细的检测及承载力鉴定，可以全面掌握桥梁的结构形式及尺寸、桥梁结构材料的使用性能、桥梁结构的力学性能和安全储备，评定桥梁技术状况，建立起完整的桥梁技术档案资料，监控桥梁运营状况，控制桥梁病害的发展[1]。通过桥检测对桥梁状态做出评估，可为桥梁工程管理提供科学依据与参考，为保障桥梁的安全运行提供条件[2]。

桥梁检测的常用方法有：无损伤检测法、半损伤检测法、半损伤和无损伤综合使用法、荷载试验法。近年来，混凝土强度的无损伤检测仍然采用强度回弹法和超声法[3]；而荷载试验包括动载试验和静载试验两部分[4]，其中的静载试验能够考察桥梁的实际工作状态和承载能力，所获取的结果最为可靠且最为直观[5]。为了保障公路桥梁的质量，尤其是采用新结构、新材料、新工艺的桥梁质量，交通部颁布的《公路养护技术规范》（JTG H10—2009）明确规定，必须判断桥梁结构实际承载能力，检验桥梁设计与施工质量。本文将结合某钢-混组合梁桥静载试验，对桥梁检测试验进行简要的探讨，重点分析静载试验的方案设计，为桥梁检测提供参考。

1 工程概况

某连续钢-混组合梁桥，跨径组合：35m+35m+35 m=105 m，单幅桥宽12 m，全宽24 m，正交布置。桥梁下部结构桥墩采用墩柱式桥墩，桩基础桩径1.5m，桥台采用一字式台，基础为钻孔灌注桩，桩径1.2m。场地内地形北高南低，场地及周边无区域性断层经过，受区域性地质构造的影响较小。某连续钢-混组合梁桥立面图见图1。

图1 某连续钢-混组合梁桥立面图（单位：mm）

2 检测方法、加载工况及传感器布置位置

本次检测选用的方法是静载试验。桥梁静载试验是按照预定的试验目的与试验方案，将静力荷载作用在桥梁上的指定位置，观测桥梁的位移、应变、开裂裂缝、沉降等试验项目，根据有关规范和规程的评定指标，判定桥梁结构的承载能力和正常使用性能。

2.1 静载试验加载原则

由《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-01—2015）可知，桥梁的静力测验标准是根据静载荷载试验效率η 来确定试验的最大荷载。静载荷载试验效率η 的计算公式为：式中：Si为试验荷载作用下，试验部位变形或内力的计算值；Sd为设计标准荷载作用下，检测部位变形或内力的计算值；1+μ 为设计取用的动力系数。

设计内力Sd是依据设计图纸和设计荷载采用Midas-Civil软件计算出的桥梁结构设计内力。对于验收性荷载试验，荷载效率η 宜取0.85~1.05；对于鉴定性荷载试验，荷载效率η 宜取0.95~1.05。

2.2 加载方案

本次荷载试验主要采用车辆荷载进行加载，车辆荷载加载的优点是便于运输和加载卸载方便迅速。正式加载前，对试验桥梁进行了预加载。为减少温度变化对测试结果的影响，本次加载时间选择在温度较为稳定的22点以后。

2.3 加载工况和测点布置

本文在理论分析的基础上确定试验的控制荷载和施加位置。连续梁桥控制截面：应变的监测部位选取一般是在中跨跨中截面、中支点截面、近中支点的边跨跨中截面；挠度的控制截面分别为边跨跨中截面、中跨支点截面和中跨跨中截面[6]。各控制截面弯矩影响线如图2所示[7]。

图2 控制截面弯矩影响线

本次静载试验针对截面最不利情况加载，车辆应当尽可能接近内力影响线最大的地方，桥梁的下游幅参与试验。根据图2，荷载试验考虑6种工况，如表1所示。

表1 下游幅荷载工况

测点布置原则上满足鉴定桥梁承载力可靠度的要求，选择能反映桥梁结构的最不利受力状态和最不利受力截面。截面应变测点布置与挠度测点布置见图3、图4。

图3 下游幅应变测点布置

图4 下游幅位移测点布置

3 静载试验结果分析

3.1 静载试验有限元模型的建立

试验对象确定后，对试验跨进行理论分析计算。理论分析计算是加载方案、观测方案和试验跨性能评价的依据，包括试验跨的设计内力计算和试验荷载效应计算两方面。

设计内力计算是依据设计图纸和设计荷载，采用Midas-Civil软件计算出桥梁结构的设计内力。试验荷载效应计算是在设计内力计算结果的基础上，确定加载位置和车辆数量的过程。由于桥梁静载试验是鉴定荷载试验，原则上应尽量采用与设计标准荷载相同的荷载，但由于客观因素的存在，实际采用的试验荷载往往与设计标准荷载不一致。为保证试验效果，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》要求，静载荷载试验效率宜取0.95~1.05。

考虑到设计荷载一般按车道荷载施加，而试验荷载是车辆车轮点式加载的方式，有限元模型处理的时候，通常在试验荷载的有限元模型上建立一板单元，以方便加载。利用Midas-Civil桥梁分析软件建立的计算模型见图5。

3.2 试验资料的整理

静载试验后，需要对试验数据进行去粗存真和去伪存真的整理分析，使其能够反映桥梁结构的工作状态。试验数据整理分析除了包括对现场实测数据进行修正和整理外，还包括对实测数据评价指标与方法的取用。

一般情况下，当桥梁结构处于弹性工作阶段时，测试值直接等于加载时读数减去初读数。对于测试值的计算，应该注意测试值修正、测点应力计算、支点沉降影响的修正和荷载横向分布系数的计算等。

对于测点应力，是按结构处于弹性工作状态时遵守胡克定律，利用试验测得的应变按照式（2）计算：

式中：σ 为测点应力；E为构件材料的弹性模量；ε为测点实测应变值。

在单向应力状态按主应力方向布置直角应变花时，则主应力σ 为：

式中：υ 为泊松比；E为混凝土弹性模量。

在平面应力状态下，已知主应力方向，采用图6中的形式，则主应力的求解为式（4）、式（5）。

式中：εa、εb为相互垂直方向的主应变；σa、σb为相互垂直方向的主应力。

在平面应力状态下，主应力方向未知，采用图6形式，则测点最大、最小主应力σmax、σmin如下：

图6 常见应变花的形式

在平面应力状态下，主应力方向未知，采用图6所示形式进行应变测量，则测点最大、最小主应力如下：

式中：τmax为测点最大剪力；φ 为最大主应力与第1片应变片的夹角。

对于由多根主梁组成的桥梁结构，荷载横向分布系数的量测与计算往往是桥梁检测的内容之一。通过对桥梁结构跨中截面各主梁挠度的测定，可以绘制出跨中截面的横向挠度曲线。根据荷载横向分布的概念，运用变位互等原理，可计算出任意一根主梁的荷载横向分布系数。当各主梁截面尺寸相同时，则第i根主梁的横向分布系数βi可按下式计算：

式中：ωi为荷载P引起的第i根主梁的挠度；ω 为荷载P均匀分布于全桥宽时所产生的挠度。

除了运用变位互等原理计算横向分布系数βi外，还可以利用挠度图的面积来计算第i根主梁的βi，见式（11）。式中：Ωi（y）为第i根主梁范围内挠度图的面积；Ω 为挠度图的总面积；yi为第i根主梁的挠度。

任意一根主梁的挠度曲线见图7。

图7 任意一根主梁的挠度曲线

3.3 试验结果分析

为了量化实测值与理论计算值的比较结果，引入结构校验系数λ：

式中：Se为试验荷载作用下量测的效应（挠度、位移、应变或力）值；Ss为试验荷载作用下理论计算效应（挠度、位移、应变或力）值。

当λ=1时，说明理论值与实测值完全相符；λ＜1时，说明结构工作性能较好，承载能力有一定富余，有安全储备；λ＞1时，说明结构的工作性能较差，设计强度不足，不够安全。

3.3.1 应变分析

图8列出了3种最不利工况下应变理论值与实测值的对比图。根据图8，对最不利受力部分进行结构校验系数计算，结果见表2。表2结果显示，结构校验系数0.87≤λ≤0.92。根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015），影响结构校验系数的因素是多方面的，如结构体系、所用材料及模型参数等，因此在保证测试精度的同时，还应该客观分析实际结构与计算模型的差异，进行综合分析评价。

3.3.2 挠度分析

表3列出了桥面位移测点在3种最不利工况荷载作用下的挠度实测值、理论值，以及结构校验系数λ，其中挠度以向下为负，向上为正。图9为3种最不利工况作用下位移实测值与理论值的对比图。

由表3可知，桥面各控制截面在其最不利布载情况下（工况2、4、6）的实测挠度值小于理论计算值，结构校验系数0.55≤λ≤0.78。