探讨预制梁桥梁荷载试验检测方法

汪义志

(衡阳市建设工程质量安全监督站，湖南 衡阳 421000)

1 引言

随着城市建设发展的需要，城区内货车超载状况日益加剧，同时施工单位对湿接缝施工不重视和操作空间小，导致湿接缝质量较差，从而加速桥梁薄弱区域湿接缝的破坏。某些地区桥梁管养单位因人力、技术、经费不足，使得桥梁病害得不到及时发现和修补加固，随着病害发展加剧，致使桥面局部塌陷、断梁甚至于断桥的严重事故。如2004年10月发生在河南荥阳市王村镇蒋头村北头连霍高速612km处的一起路桥桥面塌陷事故，导致一辆满载焦炭的大型货车来不及躲避而陷入桥面，损失严重；2011年5月，位于吉林省长春市内伊通河上的一座大桥桥面发生了塌陷，导致一辆货车直接坠河。两起事故的主要原因都是因为单梁与单梁之间连接的湿接缝破损，从而引发了桥面破损，桥梁横向连接失效，致使车辆荷载无法横向传递到其他梁上，进而单梁承受汽车荷载，最终酿成安全事故。桥梁坍塌事故的发生对社会带来不同程度的财产损失和人身安全威胁，同时也为桥梁行业带来诸多负面影响，因此很有必要对单梁和成桥荷载试验进行对比研究分析，以此寻找更加适合验证桥梁安全质量的措施及方法。

本文以平步大桥为背景，选取本工程左幅14#～17#轴跨为荷载试验对象，该联跨径为(40+40+40+30)m，结构形式为先简支后结构连续的预制小箱梁桥。重点从挠度和应变数据两方面来分析，将以荷载效率为基本条件、以效应系数为唯一准则，探索单梁荷载试验和成桥荷载试验哪个更能确保桥梁质量安全。

2 荷载试验及其结果分析

为了使试验数据结果的可比对性更强，结论更为合理，需要从两个方面着手。第一，荷载试验应避开温差较大的时间段，因为温差过大会对试验结果产生不利的干扰；故桥梁荷载试验和单梁荷载试验均是在晚上7点后开始进行；第二，选取成桥荷载试验数据的第16跨16-1边梁和对应的第16跨16-1梁单梁荷载试验数据进行对比分析，更具说服力。

2.1 桥梁计算模型及试验加载效率

单梁和成桥荷载试验的仿真模型均采用空间有限元程序MIDAS/Civil 2012进行，因主梁与盖梁、单梁和试验台之间的联系均是橡胶支座，下部结构对整体仿真模型结果无影响，故下部结构无需仿真模拟；平步大桥整体桥梁模型是采用梁格法原理建模，成桥试验仿真模型见图1；单梁是采用单一杆系单元建模，单梁荷载试验仿真模型见图2。

图1 平步大桥桥梁计算模型图

图2 平步大桥16-1单梁计算模型

通过桥梁仿真模拟模型来确定测试截面位置、车辆加载位置以及加载重量，来确保荷载效率基本条件成立。最大试验荷载依照试验荷载效率来计算。静力试验荷载效率的计算公式如下。

式中：Sstat——试验荷载作用下，检测部位变位或内力的计算值；S——设计荷载作用下，检测部位变位或内力的计算值；δ——设计取的动力系数。

静力试验荷载效ηd率取值范围为0.80～1.00①。

试验中将对测试截面进行挠度、应力(应变)测试，桥梁荷载试验和单梁荷载试验测试截面位置均位于主梁跨中。

试验荷载的最大吨位按照控制截面的试验内力达到设计控制内力的80%～100%来确定。试验工况设置见表1所示。

表1 试验工况设置一览表

桥梁荷载试验工况采用6辆重约550kN的载重汽车进行加载，加载分四级，即：1097.9kN→1638.0kN→2749.6kN→3319.8kN。满载后持荷至变形稳定。卸载只分一级，即：3319.8kN→0kN，卸载后继续进行观测至结构稳定。工况实际荷载试验效率系数如表2所示。

表2 试验弯矩(kN·m)和试验荷载效率系数

单梁荷载试验工况采用千斤顶顶推反力梁的方式进行加载，加载分四级，即：150.49kN→277.94kN→436.28kN→552.52kN。满载后持荷至变形稳定。卸载也只分一级，即：552.52kN→0kN，卸载后继续进行观测至结构稳定。工况实际荷载试验效率系数如表3所示。

表3 试验弯矩(kN·m)和试验荷载效率系数

2.2 试验测试结果及分析

2.2.1 试验测试结果

在各级荷载作用下，本文将试验中所测得的实测挠度数据根据《公路桥梁荷载试验规程》的第5.7.3条进行了支座沉降修正，最后的数据结果如表4所示。

表4 各级荷载作用下控制截面挠度测点实测值(单位：mm)

在各级荷载作用下，本文在所测得的实测应变数据基础上，修正了温度的影响，其最后的数据结果如表5所示。

表5 各级荷载作用下控制截面底板应变测点实测值平均值(单位：με)

2.2.2 测试结果分析

通过实测数据的分析处理，作为判断桥梁、单梁是否合格的唯一准则——校验系数，对于预应力混凝土构件测量的弹性变形或力值(Se)与试验荷载作用下理论计算值(Sstat)的比值(校验系数η)应满足

β<η=Se/Sstat≤α。

式中，β=0.7，α=1.05①。

量测的残余变形值与量测的总变形值的比值ξ应满足

ξ=Sp/Stot≤α1。

式中，α1=0.2①。

本文通过加载试验取得应变、挠度实测数据，并进行计算和分析两次荷载试验的应变及位移效应系数、残余变形系数，结果汇总如表6所示。

通过表6分析对比可以得出成桥荷载试验所得挠度和应变的效应系数均远小于单梁荷载试验下挠度和应变的效应系数。本文对造成该结果的原因进行简要分析，主要有如下两点。

表6 试验评定指标计算综合表

第一，试验测试选取对比的试验梁16-1为边梁，做成桥荷载试验时，其桥梁的防撞栏已全部现浇完毕，由于是整体现浇，故在成桥荷载试验中是参与了受力；因为设计院出示的设计图纸防撞栏是以自重荷载形式存在的，并没有考虑在整个桥梁中贡献了多少刚度和强度，所以数字建模中是没有考虑其强度和刚度的，故导致成桥荷载试验效应系数偏小；

第二，因桥面铺装为10cm水泥混凝土，也因第一点提及到的原因，其强度和刚度在数字建模中也未考虑其强度和刚度，而在荷载试验中也是参与其受力，故也导致成桥荷载试验效应系数偏小。

基于以上分析，同时从成桥荷载试验中所采集的数据和单梁荷载试验采集的数据对比可以看出，成桥的刚度、强度比单梁的刚度、强度均提高了很多。

3 结论及建议

通常做交竣工验收的桥梁荷载试验时，桥面铺装和湿接缝均未破损，桥梁处于整体受力状态，故这时的荷载试验是基于桥梁整体受力的一个试验过程，因此无法精准反映每一片预制梁的实际质量状况；在这种情况下，桥梁运营期间，如果管理养护单位养护、维修不及时，久而久之湿接缝破损，横向连接失效，梁与梁之间的横向传力途径遭到破坏，致使单片梁独立承受汽车荷载，甚至于单片梁承受偏载，此时的桥梁存在断梁的重大安全隐患，而这种质量安全隐患，是无法通过成桥荷载试验验证其是否安全可靠。从当下不断发生的桥面塌陷和断梁安全事故来看，在确保单梁施工质量的前提下，既可以为我们赢取更多时间发现病害、修复病害，又可以杜绝此类的安全事故的发生。因此，对前期预制梁施工质量的把控到位，为后期桥梁安全运营打下了坚实的基础。

综上所述，针对当前城市快速发展引发的超载运营不良现象，我们迫切需要在源头把控好每一片梁的质量。单梁作为预制梁桥的重要子构件，只有确保子构件质量的过关，才能为实现桥梁“百年质量”目标提供基本保障。在当前，单梁荷载试验是检测单梁是否符合设计要求的最直接最有效的检测手段，因此，在交工检测中增加单梁荷载试验项目，是确保桥梁质量最为行之有效的措施。