静载试验在木桥检测中的应用研究

宋万平

（上海同丰工程咨询有限公司，上海市 200444）

1 工程背景

上海某木桥为一座单跨简支木梁桥，跨径为8.2 m，桥面总宽为2.30 m。该桥设计和竣工资料均已遗失，设计荷载等级不明。该桥所处地段繁华，人流量较大，且木梁缺陷较多，技术状况较差，桥梁已处于超限运营状态。因此，明确该桥目前的人群荷载等级并确保桥梁的安全运营已成为管理单位的当务之急。

2 静载试验

静载试验是检验桥梁结构在试验荷载作用下桥梁实际工作状态与性能的有效手段，通过对桥跨结构进行静荷载加载，测量试验荷载作用下控制截面应力（应变）和挠度等指标，检验实桥结构的强度和刚度等参数是否满足规范和设计要求。

2.1 测试断面和测点布置

根据简支梁桥结构受力特性，本次试验测试某木桥上部结构木梁跨中断面应变和挠度，测试断面和测点布置见图1和图2。

2.2 加载载位及试验效率

静载试验主要是检验该桥在接近设计荷载的基本试验荷载作用下，桥梁的变形及主要受力构件的应力状态，也称基本荷载试验，一般要求试验荷载在结构主要控制截面上所产生的效应与设计荷载所产生的相应效应接近，其接近的程度是采用试验荷载效率系数表示，其表达式为：

图1 某木桥上部结构木梁测试断面示意图（单位：mm）

图2 某木桥上部结构木梁测点布置示意图（单位：mm）

式中：nq为静载试验荷载效率系数；Ss为静载试验荷载作用下控制截面内力计算值；S为设计荷载作用下控制截面最不利内力计算值（不计冲击系数）；μ为按规范采用的冲击系数。

该桥无设计与竣工资料可参考，根据某木桥人群荷载集度调查情况，确定该桥目标荷载为2.0 kN/m2。本次试验采用人群荷载2.0 kN/m2作为期望荷载，并分级加载控制，其静载试验效率见表1。静载试验采用水箱分级加载，水箱加载位置见图3和图4。

表1 静载试验效率系数

图3 木梁跨中最大正弯矩断面加载位置立面示意图（单位：mm）

图4 木梁跨中最大正弯矩断面加载位置平面示意图（单位：mm）

由表1可知，本次静载试验效率满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）规定的静载试验效率0.95～1.05的要求。

2.3 试验结果分析

桥梁静载试验中常用结构校验系数、相对残余变形（应变）等评判桥梁的承载能力和工作状态[1]。

（1）根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）规定，为了检验试验荷载作用下跨中测点的效应实测值与相应的计算值的差异，一般采用跨中测点效应校验系数η进行检验：

式中：Se为试验荷载作用下量测的弹性变位（或应力）值；Ss为试验荷载作用下的理论计算变位（或应力）值。

测点效应校验系数η是评定结构工作状况，确定桥梁承载能力的一个重要指标，一般要求效应校验系数η不大于1.0。

试验荷载下主梁跨中梁底应力实测值、理论值及校验系数见表2，跨中挠度实测值、理论值及校验系数见表3。

由表2和表3可知：在试验荷载作用下主梁跨中断面各测点的应力校验系数为0.26～0.41，挠度校验系数为0.41～0.54，均小于1，说明桥梁满足

表2 主梁跨中截面梁底应力校验系数

表3 主梁跨中截面挠度校验系数

式中：S'p为试验荷载作用下所产生相对残余变位（或应变）；St为试验荷载作用下所产生的总变位（或应变）；Sp为试验荷载卸载后的残余变位（或应变），Sp=St-Se；Se为试验荷载作用下所产生的弹性变位（或应变）。

测点在控制加载程序时的相对残余变位（或应变）S'p越小说明结构越接近弹性工作状态，一般要求S'p值不大于20%。

表4 和表5列出了各主梁跨中断面各测点应力和挠度相对残余变形检测结果。强度要求，有一定的安全储备。

（2）相对残余变位（或应变）是检验结构弹性回复能力的一个重要指标，其表达式如下式所示：

表4 试验荷载下各主梁跨中断面各测点相对残余应力

表5 试验荷载下各主梁跨中断面测点相对残余变形

由表4和表5可知，该桥各主梁跨中断面应力相对残余变形在2.7%～10.5%之间，挠度相对残余变形在0.5%～2.5%之间，均小于规范规定的相对残余变形容许值20%，表明桥梁具备良好的弹性恢复能力。

（3）某木桥上部结构主梁跨中梁底在1.04倍人群荷载2.0 kN/m2作用下实测跨中挠度最大值为3.155 mm，推算至人群荷载2.0 kN/m2作用下的挠度值为3.034 mm，为跨度的1/2 472，远小于规范[2]规定的L/600允许值12.5 mm，表明某木桥上部结构木梁的竖向刚度良好。

3 结构承载能力检算

本次通过容许应力法分析评价结构承载能力，首先根据试验荷载作用下木梁跨中梁底的实测应变值推出期望荷载作用下木梁跨中梁底的应力值，然后与恒载作用下木梁跨中梁底的应力值进行最不利组合，将最不利组合下的应力值与木梁的容许应力值进行比较，从而判断木桥上部结构承载能力是否满足人群荷载2.0 kN/m2的要求。承载能力检验结果见表6。

表6 木梁跨中最大正弯矩断面承载能力检验结果

现场检查发现，该桥矩形木梁遭虫蛀，木梁有效面积减小，将导致矩形木梁承载能力大大降低，故恒载作用下木梁跨中梁底应力计算时考虑矩形木梁截面高度折减3 cm。

由于该桥无设计与竣工资料参考，木材种类未知，故偏安全考虑取针叶材容许应力最小值，本次木梁的容许应力取9.5 MPa。参考《古建筑木结构维护与加固技术规范》（GB 50165-92）第6.4.2条验算古建筑木结构时，其木材设计强度和弹性模量取值应符合以下规定：（1）按现行国家标准《木结构设计规范》的规定采用，并乘以结构重要性系数0.90；（2）对外观已显著变形或木质已老化的构件，尚应乘以表6.4.2考虑荷载长期作用和木质老化影响的调整系数，根据该桥上部结构主梁木材检查情况，本桥木梁木材设计强度调整系数取0.90。综上，该桥上部结构主梁进行承载能力件算时木材应力容许值应进行折减，折减系数取0.81。

从表6可以看出，该桥木梁在人群荷载2.0kN/m2作用下跨中最大正弯矩断面由恒载和活载共同产生的梁底应力值为3.82 MPa，均小于折减后应力容许值，表明该桥木梁跨中最大正弯矩断面抗弯强度能够满足人群荷载2.0 kN/m2的安全承载要求。

4 结论

经过对某木桥上部结构木梁进行静载试验，可得出如下结论：

（1）静载试验中桥梁结构各应力及挠度测点的校验系数均小于1.0，说明木梁满足强度要求，有一定的安全储备。

（2）静载试验中桥梁结构各测点的相对残余变形（应力）均小于20%，表明木梁在试验荷载下基本处于弹性工作状态。

（3）根据木桥的静载试验结果对该桥上部结构的强度和刚度进行检算，表明木桥上部结构木梁能够满足人群荷载2.0 kN/m2的安全承载要求。