通過橋梁靜載試驗來評定橋梁的使用性能與承載能力
2011-06-09 來源：
隨著我國橋梁建設事業(yè)的飛速發(fā)展，新結構、新材料、新工藝日益增多。帶來了許多實際的理論、設計、施工問題，成為橋梁檢測的新課題，而橋梁結構檢測的成果又進一步驗證、發(fā)展和完善了橋梁設計計算理論、施工技術及其他實踐問題。另一方面，橋梁檢測也為既有橋梁結構使用性能和殘余壽命的評估提供了科學的依據(jù)，可以說，隨著生產實踐的發(fā)展，橋梁檢測日益顯得重要，同時，橋梁建設事業(yè)的不斷發(fā)展也對橋梁檢測提出了更高的要求。實踐表明，要搞好一次橋梁檢測，為設計、施工、理論研究提供可靠和完整的試驗資料和科學依據(jù)，并不是一件輕而易舉的事情，必須明確實驗目的，遵循一定的程序，采用科學先進的量測手段，進行嚴密的準備和組織工作才可能達到預期的目標。簡單介紹一下遼寧省公路橋梁基本狀況，如下：
一、 遼寧省公路橋梁基本狀況
截止2001年末，我省公路總里程為46603公里，橋梁總數(shù)為561610米/17706座。其中:國道4545公里，橋梁152603米/3186座；省道7321公里，橋梁134643米/3574座；縣級路10277公里，橋梁127817米/4407座；鄉(xiāng)級路23171公里，橋梁140171米/6195座；專用路1189公里，橋梁6376米/344座。橋梁配套率為94%。按技術等級分:特大橋49683米/55座，大橋139565米/772座，中橋160647米/2838座，小橋204055米/13682座。其中危橋10717延米，占總長1.9%，194座，占總數(shù)的1.1%。而目前，這個數(shù)值可能還要高。這就給我們提出了新的問題，如何快速、準確判斷橋梁所處的狀態(tài)，為管理部門提供可靠的依據(jù)。目前主要是用靜載試驗來判定橋梁的承載能力，本文簡單的介紹一下靜載試驗。
二、各種橋梁的橋型及常見的病害
近年來我省重點對雙曲拱橋、工字梁與微彎板組合梁、T型梁橋（有、無中橫隔梁）、剛架拱橋、懸臂梁橋等典型橋梁進行了維修與加固，按病害與維修加固技術大體分兩個方面，一是對這些橋型橋梁的通病的整治，二是對這些橋梁的個性病害的整治。
1、常見的病害：
上部包括:構件各種變形與受力裂縫；鋼筋銹蝕引起砼剝落；長期荷載下梁體撓度超限；橋面塌陷；橋面加寬及各裝配構件的縱縫構造；上部構造橫向分布剛度不足，個別縱梁梁頭破損整治；橋面漏水引起砼嚴重碳化；砼保護層剝落破損缺陷；裝配構造的失效與過大的變形。
下部包括：基礎承載力不足；基礎變形過大；臺后土壓力超限，前墻砼開裂，臺后滲水，橋臺砼凍脹變形。
（1） 個性病害
①.雙曲拱：腹板開裂（橫向）與立墻側移錯臺；拱肋強度不足，拱肋拼裝接頭松弛與拱軸線變形；拱波縱向開裂，拱波橫向與拱肋聯(lián)結失效及拱波沖剪破壞橋面塌陷。
②.工字梁與微彎板組合梁：工字梁梁端砼剪壓破壞；工字梁馬蹄砼剝落；微彎板砼縱橫開裂；微彎板與工字梁聯(lián)結脫離；微彎板縱向分塊長度不等引起微彎板沖剪破壞，微彎板橫隔梁斷裂；工字梁、微彎板及橋面鋪裝三者連接分離。
③.剛架拱：拱肋裝配聯(lián)結松弛，合攏封溫度偏高，在低溫狀態(tài)下，拱軸線嚴重下沉，拱肋、拱波聯(lián)結系梁斷裂，拱波沖剪破壞，拱肋砼承載能力不足，拱腳變位。拱肋截面變化部位空洞效應引起應力集中，裂縫嚴重；拱肋預制安裝過程形成大量施工裂縫；裝配構件剛性聯(lián)結，限止結構伸縮，導致結構局部開裂。
④.T型梁：主梁抗剪能力不足，出現(xiàn)斜向裂縫；伸縮裝置處橋面板砼較薄，剛度低，造成伸縮裝置錨固失效，主梁橫向聯(lián)結方法不當，砼開裂及漏水，砼碳化；主梁砼蒸氣養(yǎng)生不當，主梁砼耐久性降低及破損；無橫隔梁，在重交通與大交通作用下荷載橫向分配不均；砼T梁長期荷載下?lián)隙瘸?；T梁鋼板支座長期使用銹蝕，造成梁頭砼破損；橋面連續(xù)構造不合理，抗沖剪能力較弱形成砼橋面破損。
⑤.梁拱組合的中承式拱橋；主拱肋承受二次內力，恒載壓力線遠離拱軸線；吊桿安全保護構造不當，儲備不足；梁拱組合橋采用拱式構造橋面系的破損影響；橋面系的伸縮構造；平面計算弊病。
三、靜載試驗概述
橋梁靜載試驗是按照預定的試驗目的與試驗方案,將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置上,觀察橋梁結構的靜力位移、靜力應變、裂縫等參量的試驗項目，然后根據(jù)有關規(guī)范和規(guī)程的指標，判斷橋梁結構在荷載作用下的工作性能及使用能力。
橋梁靜載試驗可以是生產鑒定性試驗或科學研究性試驗；可以是組成橋梁的主要構件試驗或全橋整體試驗；可以是實橋現(xiàn)場檢測或者是橋梁結構模型的室內試驗。為了能夠較為客觀地反映橋梁結構的工作性能，橋梁檢測多采用實橋現(xiàn)場檢測。一般地，橋梁靜載試驗主要是解決以下問題。
四、靜載試驗主要解決的問題
1、檢驗橋梁結構的設計與施工質量，驗證結構的安全性與可靠性。對于大、中跨度橋梁，都要求在竣工之后，通過試驗來具體地、綜合地鑒定其工程質量的可靠性，并將試驗報告作為評定工程質量優(yōu)劣的主要依據(jù)之一。
2、驗證橋梁結構的設計理論與計算方法，充實與完善橋梁結構的計算理論與施工技術，積累科學技術資料。隨著交通事業(yè)的不斷發(fā)展，采用新結構、新材料、新工藝的橋梁日益增多，這些橋梁在設計、施工中必然會遇到一些新問題，其設計計算理論或設計參數(shù)需要通過橋梁試驗予以驗證或確定，在大量試驗檢測數(shù)據(jù)積累的基礎上，就可以逐步建立或完善這類橋梁的設計理論與計算方法。
3、掌握橋梁結構的工作性能。判斷橋梁結構實際承載能力。目前，我國已建立了數(shù)萬座各種型式的橋梁，在使用過程中，有些橋梁已不能滿足當前通行荷載的要求，有些橋梁由于各種自然原因而產生不同程度的損傷與破壞，有些橋梁由于設計或施工差錯而產生各種缺陷。對于這些橋梁，經常采用試驗的方法，來確定其承載能力和使用性能，并由此確定限載方案或加固改造方案，特別是對于那些原始實際施工資料不全的既有橋梁，通過靜載試驗確定其承載能力與使用條件就顯得勢在必行。
五、靜載試驗的主要環(huán)節(jié)
根據(jù)實際情況，必須把握住以下三個主要環(huán)節(jié)。
1、明確試驗目的。抓住主要問題。橋梁靜載試驗涉及到理論計算、測點布置、加載、測試、數(shù)據(jù)分析整理多個方面。因此，在進行試驗之前一定要明確試驗目的，預測試驗橋梁的結構行為。這樣一來才能有的放矢，合理的選擇儀器儀表。準確的確定加載設備及加載程序，科學的布置測點及測試元件，充分地利用有限的人力、物力及其他有利條件，采取各種必要的手段，以達到預期的試驗效果。
2、精心準備、嚴密組織。橋梁靜載試驗由于觀測項目比較多、測點多、不同儀器儀表多，這就要求試驗工作必須有嚴格的組織，統(tǒng)一的指揮，并能夠緊密配合，協(xié)同作戰(zhàn)。在正式試驗之前，要做好充分的準備工作，對一些關鍵性的測試項目和測點要考慮備用的測試方法，注意防止和消除意味事故。大量試驗證明，如果試驗工作的某些環(huán)節(jié)考慮不周，輕者會使試驗工作不能順利進行，嚴重的會導致整個工作的失敗。
3、加強測試人員培訓，提高測試水平。參加測試檢測的工作人員，必須在試驗之前，熟練地掌握儀器的性能、操作要領以及故障排除技術和技巧，了解本次試驗的目的、試驗程序及測試要求。
六、工程實例
到目前為止，我參加了我現(xiàn)在所在的單位（遼寧大通公路工程有限公司）對遼寧省的6座橋梁的靜載試驗，受益匪淺。試驗的目的就是評定橋梁的承載能力及使用性能，通過實驗結果來評定該橋的殘余壽命及該橋是否需要加固。我就拿其中的1座為例（遼中境內沈環(huán)線某大橋）
某大橋位于沈陽市遼中縣境內沈環(huán)線上，中心樁號為K227+176。該橋建于1970年。全橋共39孔，單孔跨徑為22.2米。橋梁總長為870.8米。橋面凈寬7米，兩側各設0.75米的人行道。主橋上部結構鋼筋混凝土T形梁，第1孔～第6孔有9道橫隔梁，第7孔～第39孔有5道橫隔梁，跨中截面高度為1.35米；下部結構為鋼筋混凝土雙柱式墩樁基礎。設計荷載為汽-13級，拖-60。該橋2000年普查為二類橋。2003年普查評定為三類橋。
1、荷載試驗
1）、加載方式及撓度布置
本次試驗撓度測點布置在第八孔跨中底部、4#梁4分點及4#梁的支點附近，和第六孔跨中底部，詳細布置如下圖。
2、荷載等級
加載分級：采用兩輛解放自卸車分三級加載。一級186.05kN、二級380.15kN、三級480.65kN，相當1.42倍1954年汽-13加重車（338kN），1.2倍1972年汽-15加重車（400kN），0.80倍1956年汽-18加重車（600kN）。
3、加載程序
0——186.05 kN——0
0——380.15 kN——0
0——480.65 kN——0
4、車輛軸距測量及稱重
加載車前輪輪距1.90m、后輪輪距1.85m、前后軸距3.25m，雙后軸距1.25m。各級荷載下車輪稱重見下表。
表1 加載車輛稱重表
加載等級 總重（KN） 車輛編號 前輪重（KN） 全輪重（KN） 后雙輪重（KN） 后單輪重（KN）
第一級 186.05 遼A53966 32.90 87.95 55.05 27.15
遼A53566 37.6 98.10 60.50 29.95
第二級 380.15 遼A53966 58.80 207.45 148.65 66.15
遼A53566 55.90 172.70 116.80 57.40
第三級 480.65 遼A53966 53.15 233.50 180.35 87.20
遼A53566 54.70 247.15 192.45 97.05
5、撓度測試結果
5.1 第6、8孔跨中撓度
表2 各級荷載下第6孔跨中撓度表 單位：mm
梁號
荷載 1# 2# 3# 4# 5#
186.05KN 實測值 2.013 2.082 2.43 2.66 2.91
計算值 3.39 3.51 4.09 4.48 4.90
校檢系數(shù) 0.5938 0.5932 0.5941 0.5938 0.5939
380.15KN 實測值 3.47 4.37 5.19 5.67 5.75
計算值 5.99 7.54 8.96 9.78 9.92
校檢系數(shù) 0.5793 0.5796 0.5792 0.5798 0.5796
480.65KN
實測值 4.67 5.73 6.52 7.20 6.55
計算值 8.23 10.10 11.49 12.69 11.55
校檢系數(shù) 0.5674 0.5673 0.5675 0.5674 0.5671
表3 各級荷載下第8孔跨中撓度表 單位：mm
梁號
荷載 1# 2# 3# 4# 5#
186.05KN 實測值 1.081 2.963 3.045 3.045 2.965
計算值 1.681 4.608 4.735 4.735 4.611
校檢系數(shù) 0.6431 0.6431 0.6431 0.6431 0.6430
380.15KN 實測值 2.910 5.180 6.295 6.315 6.190
計算值 4.56 8.13 9.88 9.91 9.71
校檢系數(shù) 0.6382 0.6371 0.6371 0.6372 0.6375
480.65KN 實測值 3.960 6.780 7.985 7.830 7.547
計算值 6.276 10.746 12.656 12.410 11.962
校檢系數(shù) 0.631 0.631 0.631 0.631 0.631
5.2 跨中橫向分配
表4 各級荷載下第6孔各梁的橫向分布系數(shù)（單輛車）
梁號
荷載 1# 2# 3# 4# 5#
186.05KN 0.1664 0.1721 0.2009 0.2199 0.2406
380.15KN 0.1419 0.1787 0.2123 0.2319 0.2352
480.65KN 0.1523 0.1868 0.2126 0.2348 0.2136
表5 各級荷載下第8孔各梁的橫向分布系數(shù)（單輛車）
梁號
荷載 1# 2# 3# 4# 5#
186.05KN 0.0825 0.2262 0.2325 0.2325 0.2264
380.15KN 0.1082 0.1926 0.2341 0.2348 0.2302
480.65KN 0.1161 0.1988 0.2341 0.2296 0.2213
上表中數(shù)據(jù)的計算,是現(xiàn)場實測值與跨中各百分表數(shù)值之和的比值。
討論:①.第6孔和第8孔T梁在汽車荷載作用時最大橫向分配系數(shù)分別為0.4696和0.4682；最大撓度分別為7.2mm和7.985mm。
②.從荷載與撓度曲線基本呈線性來看，表明T梁正截面強度在汽-13級荷載作用下是正常的，該橋還有一定的使用性能。
③.實測撓度與其它類似橋梁對比偏小，橫向分配系數(shù)也相對較小，說明該橋上部結構相對比較好。
6、應變測試
注：應變測點布置在第8孔4號梁距跨中20cm處，1#點布置在鋼筋表面，其余布置在砼表面。
表6 8-4#梁手持應變儀測試應變結果表 單位：με
荷載
點號 第一級（186.05kN） 第二級（380.15kN） 第三級（480.65kN）
1#
（距底面12cm） 實測值 104 99 179
計算值 70 158 205
校驗系數(shù) 1.485 0.6266 0.873
1#測點貼在鋼筋表面，測量數(shù)據(jù)基本可信。粘貼在混凝土表面由于存在裂縫，因此混凝土表面的應變值偏大不準確，表中未列入。
結論：
1、該橋在相當于1.42倍汽-13級荷載下，最大撓度為7.985mm，小于L/600=36mm，最大校驗系數(shù)為0.643，在規(guī)范允許的0.5～0.9范圍內；應變校驗系數(shù)為0.873接近于規(guī)范允許范圍0.4～0.8的上限值，說明該橋現(xiàn)在滿足汽—13級荷載。
2、該橋橋面系、人行道系、伸縮縫均已不同程度損壞，尤其是個別鉸縫對應處橋面已經漏空，嚴重威脅著過往車輛的行車安全，隨時都有造成交通事故的可能。
3、邊梁腹板順筋裂縫、空鼓、鋼筋外露現(xiàn)象比較嚴重，不同程度地削弱上部承重結構的承載能力；橫隔梁鋼板開焊、扭曲現(xiàn)象非常普遍，已經失去了橫向聯(lián)接作用。
4、在相當于1.42倍汽-13級荷載作用下，T梁荷載撓度曲線基本呈線性變化，砼強度滿足C25，碳化深度未達到主筋保護層，梁體還具有一定的耐久性，T梁在加強荷載橫向分配、避免單板受力、處理好鉸縫處的正常聯(lián)接情況下，尚有加固可能。
綜上所述該橋上部主梁承載能力雖然滿足汽-13級荷載,但不滿足實際通行重車荷載及干線公路橋面凈寬的要求，而且橋面及伸縮縫破損嚴重，橋面已經出現(xiàn)漏空現(xiàn)象，快要成為四類橋，應及早進行加固處理。
小結:
1、從某大橋的兩孔試驗數(shù)據(jù)的實測值、推算值、理論值的比較,靜載試驗法適用于等效荷載是均布荷載和跨中集中荷載情況?？烧_評定某座橋梁的工作狀態(tài)和承載能力。此外,靜載試驗法僅在現(xiàn)場量測梁的撓度和支座沉降,極大地簡化了試驗內容與測試程序,降低了試驗環(huán)境和測試系統(tǒng)所引起的誤差,從而提高了檢測的準確性與檢測效率,對某座橋梁的技術鑒定具有很大的現(xiàn)實意義。本試驗方法可以應用于其它形式預制梁的靜載試驗,以及橋梁結構靜力試驗,可減少實驗測定,以及進行對比分析,優(yōu)越性也是極大的。
2、靜載意義：
①.體現(xiàn)其實際應用，反映梁的承載能力，可通過校驗系數(shù)有所反映。
②.體現(xiàn)橋梁的整體實際靜止狀態(tài)下的受力情況。
③.簡便、方便、便于操作。
