基于静载试验的预应力简支箱型梁桥承载能力评定

霍卫安

（甘肃省建设监理有限责任公司，甘肃 兰州 730070）

1 引言

桥梁静载试验是通过测定试验荷载作用下桥梁主控截面的应变和挠度，从而确定桥梁的真实受力状态、使用性能以及安全度，最终对试验结构的可靠性和是否满足有关公路桥梁规范及设计要求做出评价[1-2]。以往诸多学者在桥梁静载试验方面做了大量研究，为桥梁工程设计、检测加固与评估等方面提供了理论依据[3-6]。

肖宇等[7]以某既有桥梁的静载试验检测为例，对桥梁静载试验做了简要说明，为桥梁工程的检测提供了有益参考。李玉梅[8]以某桥梁工程为例，介绍了静载试验检测方法，并对桥梁的承载能力进行了评定分析。毛训波和杨涛[9]通过立足实际，对桥梁静载试验检测技术应用要点进行了分析。康丽[10]通过深入探讨静载试验检测技术，结合工程实例，对静载试验检测技术的有关内容做了进一步的分析与阐述。胡银浩[11]结合桥梁检测具体工程案例，对静载试验检测的相关内容进行了分析与探讨。张茵涛[12]以某既有桥梁为研究对象，基于静载试验，分析了桥梁实际工作状态及承载能力。刘忠平和戴公连[13]以两根预应力型钢混凝土梁为研究对象，对其进行静载破坏试验，并探究疲劳荷载对预应力型钢混凝土梁服役性能的影响。王丹[14]采用动、静载试验分别分析了桥梁承载力在不同位置施压后应力应变的变化规律。向洪等[15]对桥梁静载试验中存在的一些问题做了分析，并结合实际工程案例，为静载试验评定桥梁承载能力提供了有价值的参考意见。王凌波等[16]在研究中提出了校验系数影响因子的概念，并建立了理论校验系数的推算方法。彭文礼[17]基于工程背景，利用Midas Civil对桥梁结构进行了动、静载试验。郑宗鹤和樊聪镐[18]同样采用有限元法，对既有桥梁进行动、静载试验，完成了结构的承载力评估。田帅帅等[19]结合一座预应力简支空心板桥的现场静载试验实例，演绎了既有桥梁承载力评估过程。

通过查阅文献发现，以往学者对桥梁承载力的研究方法主要有2种，即实测试验研究法和有限元分析法，而在进行静载试验之前，首先通过有限元确定测点位置，再根据所确定的测点位置进行桥梁静载试验的研究较少。因此本研究基于以往学者的研究基础，采用实测试验研究法和有限元分析法相结合的方法，对某市预应力简支箱型梁桥进行静力荷载试验研究，即先根据桥梁实际情况和相关规范要求，运用有限元软件Midas Civil建立空间有限元计算模型，并进行理论计算分析，从而确定测点布置位置，再通过有限元进一步计算出各测点位置的应变理论值与挠度理论值，将其理论结果与静载试验实测结果进行对比分析，并结合现行规范对该桥梁的承载能力（抗裂性、强度和刚度）进行分析与评定。本研究在桥梁静载试验设计中，分别设计了2个试验工况，即桥梁跨中截面在最大正弯矩截面中载和偏载下的应力、竖向挠度和裂缝观测，并分别给出了2种测试工况下应变与挠度测点分析结果对比图。

2 工程概况

某部训练场改建工程K3+864处北大河桥梁位于甘肃省嘉峪关市。桥梁结构形式为12 m×30 m后张法预应力简支箱形梁桥，其中桥梁单跨计算跨径为29.92 m，桥梁宽度为18 m，高度为1.6 m，顶板的宽度与厚度分别2.4 m和0.18 m，底板的宽度与厚度分别1.0 m和0.18 m，腹板厚度为0.2 m，桥面横坡坡度为双向2.0%，纵坡坡度为-1.08%。设计荷载标准为公路Ⅰ级《公路工程技术标准》（JT GB01—2014）。如图1所示为桥梁立面图，图2所示为横断面图。

图1 桥梁立面图（单位：m）

图2 桥梁1-1断面处横断面图（单位：m）

3 建立有限元模型

根据桥梁实际情况和相关规范要求，运用有限元软件Midas Civil建立空间有限元计算模型。通过空间有限元法对该桥进行了理论计算分析，根据设计汽车活荷载（公路Ⅰ级）作用下的内力包络图确定实验荷载以及加载截面位置，从而进一步确定测点布置位置。通过有限元模型，分别计算出各种工况下测点位置的应变理论值及挠度理论值，再将其理论结果与实测结果进行对比分析，并结合现行规范对该桥的承载能力进行评估和判定。

桥梁试验跨上部结构有限元计算模型如图3所示。其中，该桥梁采用C50混凝土，混凝土弹性模量E=3.45×104MPa，混凝土泊松比为0.2，混凝土线膨胀系数为1×10-5。

图3 30 m简支箱梁试验跨计算模型

4 静力荷载试验

4.1 试验内容

本桥静载试验采用东华测试技术有限公司生产的DH3816静态测试仪（64通道），测试内容根据北大河桥的现场情况，选择北大河桥第3跨30 m简支箱梁（68217部队方向）作为试验对象，该跨由6片30 m的简支箱梁组成，对控制截面在最不利设计荷载作用下的应变、竖向挠度进行测试及裂缝观测。本桥静载试验设计了2个测试工况，其中各工况测试项目及测试内容见表1。

表1 各工况测试项目及测试内容

工况一：跨中截面在最大正弯矩截面中载下的应力、竖向挠度和裂缝观测；

工况二：跨中截面在最大正弯矩截面偏载下的应力、竖向挠度和裂缝观测。

4.2 测点布置

为科学地进行该桥梁的荷载试验，故运用有限元软件Midas Civil进行详细的计算分析，并根据设计汽车活荷载（公路Ⅰ级）作用下的内力包络图确定试验荷载以及加载截面位置，从而进一步确定测点布置位置。

（1）应变测点布置

总计布置6个应变测点，所有应变测点布置于箱梁混凝土下表面上，且沿桥梁轴线方向布置，测点编号为A1～A6，并挑选适宜位置布置补偿点应变片，跨中截面应变测点布置图如图4所示，应变测点平面布置图如图5所示。

图4 跨中截面应变测点布置图（A1～A6▅：应变片位置）

图5 跨中截面应变测点平面布置图（A1～A6▅：应变片位置）

（2）挠度测点布置

总计布置12个挠度测点，位于混凝土箱梁底部，测点编号为D1～D12，跨中截面挠度测点布置图如图6所示，挠度测点平面布置图如图7所示。挠度测量采用多点视频动静态位移监测系统。

图6 跨中截面挠度测点布置图（D1～D6▅：反光片位置）

图7 跨中截面挠度测点平面布置图（D1～D12▅：反光片位置）

4.3 静载试验荷载值及加载效率

工况一和工况二静力加载均需要加载车4辆，每辆车约重550 kN，具体车辆参数见表2。各工况作用下的荷载值、荷载效率系数见表3、表4，从表3和表4可以看出，所有工况的荷载效率系数均介于0.95～1.05，处于规范规定的范围。

表2 加载车主要参数

表3 静载工况的荷载效率系数（中载）

表4 静载工况的荷载效率系数（偏载）

4.4 加载方式与分级加载

本桥加载分为3级加载，2级卸载，其静载试验加载程序如下：

（1）预加载：零载→50%荷载值→零载。

（2）正式加载：零载→工况I-1（50%）→工况I-2（75%）→工况I-3满载（100%）→工况I-4（50%）→零载。

4.5 静载试验程序

基于试验方案，静载试验程序主要分为4个关键步骤，分别为：

（1）在箱梁混凝土表面上确定测点位置，将其打磨找平，清理干净，并对测点位置进行编号。

（2）在处理好的测点位置处粘贴应变片，并将应变片与信号传输线路连接良好且接入应变采集系统。

（3）接线联机后进行试调工作，检查各测试元件是否处于良好的工作状态；当各测试元件处于正常工作状态后，进行预压工作，进一步检查测试元件是否处于良好的工作状态。

（4）正式加载，并进行数据采集。试验过程中值得注意的是，为了尽可能减少非弹性挠度的影响，首先进行预压工作，然后再进行正式加载工作，并且当某一级加载到位后，将加载汽车熄火状态保持2 min及以上，待数据完全稳定后再进行数据记录；同样，在卸载过程中，待卸载后2 min以上，再采集残余数据。

5 静载试验结果与分析

5.1 应变测试结果分析

各测点应变测试结果见表5、表6，应变测点分析结果对比图如图8、图9所示。

图8 应变测点分析结果对比图（工况一）

图9 应变测点分析结果对比图（工况二）

表5 各测点应变测试分析结果

表6 各测点应变测试分析结果

通过观察表5、表6以及图8、图9可以发现，应变实测曲线与应变理论曲线的变化规律都基本一致，实测值均小于应变值，且应变校验系数均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）小于1.0的要求，因此，该桥梁实测强度满足设计要求；卸载后，相对残余应变均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）小于20%的要求，说明桥梁处于弹性工作状态。通过进一步观察2种工况下应变测点分析结果对比图可以发现，虽然实测应变值均小于理论应变值，且桥梁实测强度满足设计要求，但是实测应变值与理论应变值之间存在一定差值，这一差值的产生是由静载试验过程中某些因素而导致，如试验当天天气情况的客观因素影响，贴应变片前对桥梁截面的清洁处理未能达到绝对干净，以及应变片胶水对应变片完全变形的束缚等，这些因素均会对桥梁变形信号的传递造成干扰，致使应变片所接收的桥梁变形信号稍微变弱。因此，在静载试验中所得到的实测应变值与理论应变值存在偏差。

5.2 挠度测试结果分析

各测点位移测试结果见表7、表8，挠度测点分析结果对比图如图10、图11所示。

图10 挠度测点分析结果对比图（工况一）

图11 挠度测点分析结果对比图（工况二）

表7 各测点位移测试分析结果

表8 各测点位移测试分析结果

通过观察表7、表8以及图10、图11同样可以发现，挠度实测曲线与挠度理论曲线的变化规律也都基本一致，实测值均小于理论值，且挠度校验系数均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J 21—2011）小于1.0的要求，因此，说明桥梁梁板的刚度满足设计要求；相对残余挠度均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）小于20%的要求，说明桥梁处于弹性工作状态。通过进一步观察2种工况下挠度测点分析结果对比图同样可以发现，虽然实测挠度值均小于理论挠度值，且桥梁梁板的刚度满足设计要求，但是实测挠度值总之与理论挠度值之间存在一定差值，这一差值的产生和应变测试中产生差值的原因相同，也是受到试验当天天气情况的客观因素影响，贴反光片前对桥梁截面的清洁处理未能达到绝对干净，以及反光片胶水对反光片完全变形的束缚等因素的影响，从而对桥梁变形信号的传递造成干扰，致使反光片所接收的桥梁变形信号稍微变弱。因此，在静载试验中所得到的实测挠度值与理论挠度值存在偏差，且实测挠度值均小于理论挠度值。

5.3 结构表观观测

通过对北大河桥梁结构进行表观观测发现：北大河桥梁的内外轮廓线顺滑清晰；栏杆和护栏均牢固、直顺、美观；桥面铺装沥青混凝土表面平整密实且无泛油、松散、裂缝、明显离析等现象；伸缩缝无阻塞、变形、开裂现象，状态良好；泄水管安装到位，不阻水；桥面无低凹，排水良好；结构未出现异响、混凝土破损等异常情况，且未发现主梁有裂缝产生。

6 结语

本研究以某桥梁为研究对象，运用有限元软件Midas Civil建立空间有限元计算模型，并进行理论计算分析，从而确定测点布置工况。通过有限元计算分析，便可以计算出工况一和工况二各测点位置的应变理论值和挠度理论值，再将计算所得到的理论结果与实测结果进行对比分析，并结合现行规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）对该桥梁的承载能力进行评估和判定。

试验表明，静载试验所得到的实测值（应变值与挠度值）均小于理论值，且均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）的要求，说明该桥梁的强度与刚度均为良好以及桥梁结构处于弹性工作阶段。在试验过程中，桥梁结构未出现异响、混凝土破损等异常情况，未发现主梁有裂缝产生。因此，静载试验结果表明该桥梁性能良好，承载能力满足设计要求，并且本研究所采用的静载试验设计方案、分析方法可供其他类似工程分析参考。