基于静力荷载试验的桥梁状态检测评估

闫国华

（山西交通控股集团吕梁北高速公路管理有限公司，山西 吕梁 033000）

1 静力荷载试验检测概述

进行桥梁性能检测时，必须对桥梁整体结构性能及各部件工作性能展开全面且完善的检测与试验，其中最为关键的是对包括刚度、强度、稳定性等在内的桥梁结构承载能力的测定。通常，当发生以下四种情况后必须进行桥梁荷载试验：①桥梁建设等级或要求较高，必须通过荷载试验确保其达到超常规要求；②桥梁运行过程中交通量大、重载车辆运行时间长，则必须根据荷载试验结果保证其结构安全与稳定；③桥梁结构运行时间较长，为进行梁体结构安全性评价或经过大型加固改造后进行验收；④桥梁建设期间所用承重材料存在缺陷，使梁体结构承载力受到不利影响。

静力荷载试验实施时，必须在指定桥梁位置上设置静止荷载，并检测其静应变、静位移、裂缝情况。根据检测结果综合判断桥梁结构受荷载作用后的使用性能和工作状态。可以通过特定载重级别的车辆向待检测桥梁施加静力荷载，也可以将水箱、预制块件运输至指定位置施加静载。加载分级级数通常根据桥梁实际情况予以确定，通常情况下，直接按照最大控制截面内力将其划分为四级；而在借助重型车辆施加静力荷载时，为简化车辆加载、卸载及称重等环节，通常设置三级加载级数。总之，如桥梁状况不良或在试验前期准备工作并不充分的情况下，应尽量多设置加载分级级数；如受环境或其他因素限制而导致级别较小时，可在各级加载期间使车辆缓慢驶入指定加载位置，确保试验安全。卸载处理时可以在分级加载后直接卸载，也可以在完成全部加载后再分级卸载。

静力荷载试验车辆通常选用载重汽车或平板车。借助车辆加载既方便调运，又能加快加载卸载速度，加载试验也可以使用重物，即依据控制荷载着地轮痕搭设承载架，在承载架上利用重物进行加载。如果加载试验过程持续时间较长，则应考虑在夜间进行，以控制温度变化对加载试验结果的不利影响。由于静力加载试验必须取得量化的数据及参数，因此在加载试验过程中必须准确称量加载物具体质量。可以直接称量，也可以通过体积测量后换算得出；加载车辆可根据车辆出厂规格直接确定。需注意的是，使用车辆进行静力荷载试验时，必须使车辆上的加载物对称排列，并将纵向轴两侧质量误差控制在5%以内，准确测量桥梁实际受力及相应的变形情况。

2 工程概况

某桥梁于1999年建成，上部为现浇连续箱型梁结构设计，共分为三联，第一联K0+000—K0+067，跨径67m；第二联K0+067—K0+132.5，跨径65.5m；第三联K0+132.5—K0+216.5，跨径84m。桥梁断面全宽8.0m（防撞护栏0.5m+车行道7.0m+防撞护栏0.5m），按照单车道设计。上部结构为单箱单室截面形式，箱梁高1.6m、顶板宽8.0m、悬臂长1.5m。第一联预应力混凝土箱梁外跨中腹板及支点处腹板设计厚度分别为0.5m和0.65m，在小半径平曲线的作用下，通过增大曲线内侧腹板厚度以增加结构自重，跨中腹板及支点处腹板厚度分别增大至0.7m和0.9m。第二联普通钢筋混凝土箱梁曲线外跨中腹板及支点处腹板设计厚度分别为0.5m和0.6m，曲线内侧腹板同样加厚，以增大结构自重，跨中及支点处腹板厚度分别增大至0.7m和0.9m。第三联预应力混凝土箱梁跨中及支点处腹板设计厚度分别为0.5m和0.35m，箱梁顶底板厚度均为0.2m。

预应力混凝土箱梁和普通钢筋混凝土箱梁分别采用C50和C40混凝土，桥面铺装层为厚度8cm的防水混凝土+厚度9cm的改性沥青混凝土层；以摩擦系数0.15、管道偏差系数0.001 5的塑料波纹管为预应力管道。

采用满堂支架浇筑法进行桥梁上部结构施工，预应力由两端张拉：先张拉横隔梁1/2处预应力钢束，再进行主梁顶板和腹板处钢束对称张拉，张拉结束后进行剩余横隔梁预应力钢束张拉。待全部预应力张拉完毕后再拆除支架。

2021年5月，在该桥梁定期检测过程中，根据《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99—2017）及该桥梁表观检测结果，将其技术状况整体评定为C级，桥面铺装结构严重破损；梁体结构出现数条明显的竖向裂缝，桥梁上部结构加固钢板存在螺栓松动等病害，下部结构被评定为B级。基于此，需通过静力荷载试验对该桥梁状态进行检测评估。

3 桥梁荷载试验

3.1 试验目的

考虑到该桥梁日常交通量大，桥梁结构安全对交通运行存在较大影响，必须对其进行荷载试验，以探明桥面铺装受损程度及原因。通过桥梁荷载试验，首先验证桥梁上部结构承载力是否符合公路-Ⅰ级荷载以及梁体、空心板等分布规律，判断桥梁上部结构是否存在单梁受力以及桥面严重破损的具体原因。荷载试验期间，通过观测原主要病害变化程度以及试验期间是否发生新增病害，判断桥梁结构运营安全性。通过桥梁荷载试验全面掌握桥梁整体工作状态的基础上综合评估桥梁结构运营安全性，分析潜在隐患，为桥梁结构长期运营安全提供可靠数据。

3.2 试验荷载

采用Midas Civil有限元软件构建空间有限元模型[1]，以进行静力试验所加载荷载大小的确定。根据第一联～第三联边跨跨中、中跨跨中与墩顶截面弯矩影响曲线以及各截面影响线，按照单车道进行公路-Ⅱ级车道荷载加载计算，箱梁偏载系数（即横向分布系数）取1.15，冲击系数按照规范取值。加载荷载效率及实际加载所对应的理论挠度值分别见表1和表2。

表1 加载荷载效率

表2 实际加载所对应的理论挠度值

3.3 加载方式

考虑到该桥梁建设时间较早，且缺乏设计及竣工资料，为确保检测过程中加载安全，按照公路-Ⅱ级荷载标准80%→公路-Ⅱ级荷载标准100%→公路-Ⅰ级荷载标准100%依次加载。为全面掌握桥梁实际受力情况，每级荷载标准下的每一加载工况均严格按照4～5级分级方式加载。结合桥梁受力情况，选取第一联0-1#跨中截面、1-2#跨中截面、1#墩墩顶截面，第二联2-3#跨中截面、3-4#跨中截面、3#墩墩顶截面，第三联6-7#跨中截面、7-8#跨中截面、7#墩墩顶截面等9个测试断面。

根据正常使用荷载进行加载控制，布载则按照测试截面弯矩等效原则进行，还应保证测试截面试验荷载效率符合检测规程。加载试验车辆数量及型号均应根据结构分析和荷载等效原则确定，该桥梁状态检测评估静力荷载试验车辆为5辆，前后轴距为3.8～4.2m，且后轴与车尾距离不超过2.0m、横向轮距1.8m、前轴重10t、后轴重30t、总重40t的三轴车。静力荷载试验开始前必须将加载车辆过磅称重，单车重量误差控制在1t范围内。

根据测试断面设置要求，在每个测试断面分别设置5个挠度测点和5个应变测点，挠度测点均匀设置在底板位置，应变测点中3个测点均布于底板处，其余两个测点分别设置于腹板和翼缘板交界处。

4 桥梁状态评估

4.1 对称加载测试结果

在静力荷载试验过程中，在各断面布置5个挠度测点，并通过TOPCONDL-102C型精密电子水准仪进行各跨跨中目标点位挠度检测，将检测结果平均值和理论计算值进行比较。静力荷载试验中第一联两跨跨中挠度最大值为5.05mm，比允许值小；第二联边跨跨中及中跨跨中挠度值分别取1.19mm和1.15mm，均比允许值小；第三联边跨跨中及中跨跨中挠度值分别取1.95mm和2.08mm，也均小于允许值。试验结果也表明，按照规范所得到的挠度理论值比各断面挠度实测值大，不同加载工况下断面挠度校验系数取值均处于0.668～0.795范围内，这也说明该桥梁结构整体刚度较大，性能完好，能满足当前《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2018）对桥梁结构活载挠度的限制性要求。试验荷载影响下的各截面相对残余变形最大为13.28%，远比规范所规定的20%控制值小，梁体结构变形仍然处于良好的弹性工作阶段。

静力加载试验中还进行了各工况下测点应变值的检测，为简化分析过程，主要进行同一断面、同一高度测点实测应变均值和计算值、实测挠度均值与计算值的比较分析，其中，0～1#跨中截面公路-Ⅱ级荷载标准80%荷载等级下的试验结果比较具体，见表3和表4。

表3 实测应变均值和计算值的比较

表4 实测挠度均值和计算值的比较

根据表中测试结果的比较可以看出，各断面应变实测结果均比理论计算值小，荷载工况所对应断面测点应变校验系数取值在0.22～0.80之间，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）的规定，桥梁结构断面应变校验系数若小于1，则表明梁体结构刚度较大，结构稳定且处于较好的工作状态。然而因桥面铺装、栏杆等附属结构对桥梁刚度的影响无法精确计入检测结果，导致所得计算结果比实际值小。此外，混凝土材料属于非均质材质，存在局部应变滞后的情况，这也会对测验结果造成一定影响[2]，为此，应结合挠度测试结果综合判断。挠度校验系数取值在0.33～0.51之间，且各截面在静力试验荷载作用下相对残余变形在-0.2%～2.3%范围内，比规范所规定的20%的极限值小，表明梁体结构处于较好的弹性工作状态。

4.2 偏心加载测试结果

为分析偏心荷载作用下主梁受力和变形情况，在第一联～第三联中跨跨中实施偏心加载。偏心荷载作用下，偏心方向挠度和荷载对称布置下挠度的比值即为箱梁横向增大系数[3]，具体表示见式（1）：

式中：ξ为箱梁横向增大系数；we为偏心荷载作用下横向测点挠度最大值或实测应变值；w0为荷载对称布置时横向测点挠度均值或实测应变值。

结合实测结果，试验工况下，根据挠度值计算得到第一联0～1#跨中截面、1～2#跨中截面、1#墩墩顶截面，第二联2～3#跨中截面、3～4#跨中截面、3#墩墩顶截面，第三联6～7#跨中截面、7～8#跨中截面、7#墩墩顶截面等9个测试断面横向增大系数取值分别为1.016、1.078、1.037、1.012、1.037、1.041、1.044、1.050、1.088，均小于1.15的推荐值，表明该桥梁梁体在偏心荷载作用下并未发生较大的扭转变形，也说明梁体结构设计截面抗扭能力较强，结构受力处于有利状态。

4.3 裂缝观测结果

在静力加载试验过程中，进行主要受力部位混凝土结构表面裂缝宽度观测。根据观测结果，加载试验期间并无明显裂缝出现，既有裂缝加载后均无发展延伸迹象。

5 结语

综上所述，实例桥梁梁体挠度试验结果所显示的挠度实验值和理论计算值吻合度较高，挠度试验结果比规范允许值小；在试验荷载作用下，桥梁梁体主控制断面挠度实测值和理论计算值之比（即校验系数）均小于1，表明该桥梁刚度较大，性能良好。静力荷载试验所得到的测试断面相对残余变形最大值不超出20%，桥梁结构弹性状态较好。经以上研究，通过静力荷载试验进行桥梁状态检测评价能为桥梁结构安全运行提供基本依据。