霍衛(wèi)安
（甘肅省建設(shè)監(jiān)理有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）
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(yīng)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(guān)公路橋梁規(guī)范及設(shè)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(shè)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(shù)應(yīng)用要點進行了分析。康麗[10]通過深入探討靜載試驗檢測技術(shù)，結(jié)合工程實例，對靜載試驗檢測技術(shù)的有關(guān)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(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)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(chǔ)，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(yīng)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(guān)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(yīng)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(shè)計中，分別設(shè)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(yīng)力、豎向撓度和裂縫觀測，并分別給出了2種測試工況下應(yīng)變與撓度測點分析結(jié)果對比圖。
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(guān)市。橋梁結(jié)構(gòu)形式為12 m×30 m后張法預應(yīng)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(shè)計荷載標準為公路Ⅰ級《公路工程技術(shù)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）
根據(jù)橋梁實際情況和相關(guān)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(shè)計汽車活荷載（公路Ⅰ級）作用下的內(nèi)力包絡(luò)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(yīng)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
4.1 試驗內(nèi)容
本橋靜載試驗采用東華測試技術(shù)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(shè)計荷載作用下的應(yīng)變、豎向撓度進行測試及裂縫觀測。本橋靜載試驗設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)計汽車活荷載（公路Ⅰ級）作用下的內(nèi)力包絡(luò)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(yīng)變測點布置
總計布置6個應(yīng)變測點，所有應(yīng)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(yīng)變片，跨中截面應(yīng)變測點布置圖如圖4所示，應(yīng)變測點平面布置圖如圖5所示。
圖4 跨中截面應(yīng)變測點布置圖（A1～A6▅：應(yīng)變片位置）
圖5 跨中截面應(yīng)變測點平面布置圖（A1～A6▅：應(yīng)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(guān)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(yīng)變片，并將應(yīng)變片與信號傳輸線路連接良好且接入應(yīng)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)。
5.1 應(yīng)變測試結(jié)果分析
各測點應(yīng)變測試結(jié)果見表5、表6，應(yīng)變測點分析結(jié)果對比圖如圖8、圖9所示。
圖8 應(yīng)變測點分析結(jié)果對比圖（工況一）
圖9 應(yīng)變測點分析結(jié)果對比圖（工況二）
表5 各測點應(yīng)變測試分析結(jié)果
表6 各測點應(yīng)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(yīng)變實測曲線與應(yīng)變理論曲線的變化規(guī)律都基本一致，實測值均小于應(yīng)變值，且應(yīng)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(shè)計要求；
卸載后，相對殘余應(yīng)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(yīng)變測點分析結(jié)果對比圖可以發(fā)現(xiàn)，雖然實測應(yīng)變值均小于理論應(yīng)變值，且橋梁實測強度滿足設(shè)計要求，但是實測應(yīng)變值與理論應(yīng)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(yīng)變片前對橋梁截面的清潔處理未能達到絕對干凈，以及應(yīng)變片膠水對應(yīng)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(yīng)變片所接收的橋梁變形信號稍微變?nèi)酢Ｒ虼耍陟o載試驗中所得到的實測應(yīng)變值與理論應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)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)酢Ｒ虼耍陟o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。
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(yīng)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(yīng)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(shè)計要求，并且本研究所采用的靜載試驗設(shè)計方案、分析方法可供其他類似工程分析參考。
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