基于静载试验检测的混凝土斜拉桥承载力评价(截面荷载试验斜拉桥应变)

关键词：静载试验;检测;混凝土斜拉桥;承载力;评价;

作者简介：彭军（1985—）,男,大专,工程师,从事工程检测工作。
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静载试验主要向待测桥梁结构施加分级荷载，通过仪器监测控制截面应力、挠度及裂缝变化程度，将监测值和理论值（或规范值）进行比较，得到桥梁结构实际运行状态。
与动载试验相比，静载试验过程简便，对交通运行影响时间短、范围小，能快速得出桥梁结构承载力及运行状态测试结果。
基于此，该文以具体桥梁为例，对静载试验过程及结果展开分析探讨，得出桥梁承载力检测结果，为桥梁运行状况的评价提供了依据。

某跨河特大桥全长0.958 km，主桥和引桥桥面宽37.6 m和33.5 m，桥跨按照2×40 m+(40 m+110 m+320 m+110 m+40 m)+(40 m+42 m+42 m)+3×42 m布置。
主桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥形式，主梁为C55预应力混凝土结构，桥面按2%设置横坡；边箱底板宽4 m，主梁中心高3.2 m；主梁标准段长6 m，顶底板厚0.3 m和0.4 m，腹板厚0.5 m，斜底板厚0.3 m。

该桥梁于2011年建成运行，运行过程中随着交通量的持续增大，梁底和桥面先后出现破损、开裂，桥梁管理部门于2022年10月展开桥梁检测与承载力评价，主要检查桥梁损伤程度、类型、病害特征，并根据检测结果推测桥梁实际承载力、运行状态及安全等级，为养护处治提供依据。

结合对该混凝土斜拉桥病害的检测结果，第14联83～89跨为其最不利梁区段，故应用Midas Civil有限元软件构建试验梁分析模型。
根据试验梁特点，在节点和单元建立时必须确保单元与纵横梁中心线重合，在纵梁向以1.5 m为1个单元，按照横向尺寸进行横向单元划分[1]。
按照这一思路，共构建起831个单元和458个节点。

各墩顶横隔梁和纵梁均采用C50混凝土材料，对材料弹性模量、泊松比、容重、线膨胀系数等特征值进行定义。
各种混凝土材料所使用的水泥强度、运行环境、收缩龄期等不尽相同，应同时进行定义。

该文以该混凝土斜拉桥上部荷载参数展开分析，通过构建有限元模型分析。
在桥梁下部支座设计中，利用一般支撑取代上部结构各个转动与移动约束条件[2]。

根据建设的分析模型，从研究方面出发进行如下两个荷载分析：一是结构混凝土自重荷载数据，按2.6 t/m3取值；二是移动荷载，按照技术标准开展移动荷载计算确定，确定移动荷载车辆和工况。

应用桥梁结构有限元分析软件采用精度较高的梁格法[3]构建试验区段模型，并对试验段桥梁结构受力展开理论分析。
经过对设计荷载弯矩包络图进行试验桥梁段三个最不利受力截面，分别为83跨近跨中的A截面、83#墩顶B截面、84跨跨中的C截面。

挠度测试截面布置：在边跨截面横桥向设置测量点，布置3个挠度检测部位，利用光学水准仪测定挠度参数；主跨横桥向左、右幅、中央侧分别设置一条测线，总计21个点位，获取准确的挠度数据。

应变测试截面布置：在各桥墩墩顶最大负弯矩截面布置应力应变测试断面。

该桥梁采用超-20，挂-120的设计荷载等级，根据移动荷载、静载在最不利控制截面形成内力基本相同的标准，利用有限元模型分析等效静载车辆与布载分布。
按照如下原则加载：

(1）尽量在加载车辆少的一侧进行静载试验分析。

(2）为缩短对车道的占用时间，应在每一工况加载时对该工况车辆加载位置二次利用，减少车辆移动。

(3）车辆加载时应以达到具体加载项目测试为主要目的。

按照以上原则，拟定出以下几种工况：

工况1：近跨中主梁A截面最大正弯矩加载试验。
结合现场试验条件及等代效应要求，通过4辆34 t的重车展开加载，并分两次进行；满载后持荷0.5～1 h，一次卸荷后持续观测0.5～1 h，此后进行主梁截面挠度和应变值检测。

工况2：墩顶主梁B截面最大正弯矩加载试验。
通过有限元软件展开分析，通过在最不利截面弯矩等效原则开展试验分析，通过4辆34 t的重车分3级加载；待满载后加载车辆在加载位置停留30～60 min，此后卸载；等受力稳定后由应变仪检测主梁截面应变。

工况3：跨中主梁C截面最大正弯矩加载试验。
即通过4辆34 t的重车展开加载，待加载至满载状态后试验车辆原位停留30～60 min，此后卸除荷载，进行主梁截面挠度与应变测试。

以上几种工况下所使用的试验车辆依次编号为1#试车、2#试车、3#试车和4#试车，车牌号分别为粤AD5102、粤AD54PC、粤AQ437R、粤AQ36D1；全部试车前轴距均为3.2 m，后轴距均为1.35 m，前轮距为2 m，后轮距为1.8 m，前轴重68 k N，后轴重272 k N，总重量340 k N。

根据国家标准的要求，为了使得静力荷载试验能达到应有效果，并能根据设计荷载开展最不利控制截面结构相应分析，需要将验收荷载试验效率进行确定，将其处于0.85～1.05之间，将鉴定性试验效率系数取值控制在0.95～1.05之间。
静力荷载试验荷载效率系数[4]按下式计算：

式中，ηq——静力荷载试验荷载效率系数；Ss——按设计荷载等效的试验静载在最不利截面产生的最大变形或内力；S——设计荷载在最不利截面产生的最大变形或内力；μ——试验冲击系数。

结合试验参数进行分析，该次混凝土斜拉桥静力荷载试验数据可见表1。
分析表内数据信息，静载试验荷载效率取值应达到标准要求，执行设计荷载等效试验静载最不利截面形成的影响要素与设计荷载在相同截面的最不利影响是基本相同的，说明应用等效静载所评估的桥梁工作性能、受力特性等切实合理。

为降低温度变化对试验过程及结果的影响，静载试验安排在2022年10月22日晚间23:00至次日凌晨4:00之间展开，试验历时5 h，试验期间环境温度变化不超出2℃，故温度的影响可忽略不计。

表1 静力荷载试验效率 下载原图

4.1 各控制截面试验结果

根据实桥车辆荷载分级加载得出的各测点实测值和理论值的对比，展开混凝土斜拉桥实际受力以及刚度和强度是否满足要求的分析。

受到等效荷载分级加载作用后该截面各测点挠度实测值和计算值汇总见表2，表中“+”表示上翘，“-”表示下挠。
主梁A截面满载状态下静力荷载试验效率最大部位L3测点处挠度实测值为5.13 mm，卸荷后残余挠度为0.12 mm，弹性挠度5.04 mm，结构应变理论值为5.21 mm，校验系数0.95，相对残余应变为2.34%。
所有测点校验系数取值均不超出1；最大相对残余应变实测值取17.41%，未超出20%的规范要求；满载情况下各测点校验系数与相对残余应变值均符合试验规程，表明该斜拉桥处于线弹性工作状态，结构刚度较好并存在一定富余。

受到等效荷载分级作用后，主梁A截面应变实测值和计算值对比情况见表3，表中“+”表示拉应变，“-”表示压应变。
根据表中结果，主梁结构在满载状态下测点Y-1试验效率最大，实测应变为129.1με，卸荷后残余应变降至14.9με，实测弹性应变为112.8με，理论应变为131.7με，校验系数取0.86，相对残余应变为11.85%。
各个点位的校验系数与相对参与应变发生较大变化，但是都达到要求，说明斜拉桥为线性弹性变化条件，刚度性能较好，具备一定安全裕量。

受到等效荷载分级作用后，该截面应变实测值和计算值对比情况见表4，表中“+”表示拉应变，“-”表示压应变。
根据表中结果，主梁结构在满载状态下测点Y-1试验效率最大，实测应变为110.9με，卸荷后残余应变降至13.1με，实测弹性应变为98.7με，理论应变为124με，校验系数取0.8，相对残余应变为11.64%。
各个点位的校验系数与相对参与应变发生较大变化，但是都达到要求，说明斜拉桥为线性弹性变化条件，刚度性能较好，具备一定安全裕量。

在等效荷载分级加载作用下此截面测点挠度实测值和计算值见表5，表中“+”表示上翘，“-”表示下挠。
该截面满载状态下静力荷载试验效率最大部位C3测点处挠度实测值为1.38 mm，卸荷后残余挠度为0.242 mm，弹性挠度1.114 mm，结构应变理论值为1.29 mm，校验系数0.83，相对残余应变为17.42%。
各测点校验系数值和相对残余应变实测值均符合要求，表明结构处于线弹性工作状态，结构刚度好，存在一定安全富余。

表2 主梁A截面满载状态下挠度实测值和计算值比较（部分） 下载原图

表3 主梁A截面满载状态下应变实测值和计算值比较 下载原图

表4 该截面满载状态下应变实测值和计算值比较 下载原图

表5 主梁A截面满载状态下挠度实测值和计算值比较（部分） 下载原图

在等效荷载分级作用后，该截面实测应变和计算应变对比情况见表6，表中“+”表示拉应变，“-”表示压应变。
根据结果，主梁结构在满载状态下测点Y-1试验效率最大，实测应变为104.8με，卸荷后残余应变降至11.9με，实测弹性应变为94.2με，理论应变为108.1με，校验系数取0.87，相对残余应变为11.84%。
各测点校验系数值和相对残余应变实测值均符合要求，该结构也处于线弹性工作状态，刚度好，安全富余大。

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018）中的相应条款的要求，展开混凝土斜拉桥的裂缝宽度参数的测量。
该桥梁运行环境属于Ⅰ类[5]，根据试验结果，开始到结束各个变形部位上最不利截面均没有发生加载裂缝，说明结构稳定性符合试验规程。

表6 该截面满载状态下应变实测值和计算值比较 下载原图

5 结论

该文应用Midas Civil有限元软件展开分析，构建分析模型，进行某混凝土斜拉桥最不利试验路段模型静力荷载试验，利用设计荷载弯矩包络图来确定最不利控制截面，根据等效原则分析确定试车静载与加载的部位，这些都会给静载试验提供帮助。
试验参数分析发现，该次混凝土斜拉桥各个点位的静力荷载相对参与变形在20%以内，表示处于弹性作业状态；各个点位校验数据在1以内，表明桥梁结构实际刚度和强度均优于理论水平，桥梁实际承载力满足原设计荷载等级要求，桥梁运行状态良好。

[1] 霍卫安.基于静载试验的预应力简支箱型梁桥承载能力评定[J].甘肃科技,2023(1):21-27.

[2] 陈哲敏.大跨钢桁梁桥改建后静载试验与分析[J].运输经理世界,2021(29):97-99.

[3] 齐文彬,王海军,王海龙,等.基于静载试验的某预应力混凝土连续梁桥承载力评估[J].河北建筑工程学院学报,2019(4):8-13.

[4] 董祥云,刘卫卫.基于静载试验的连续梁运营状态分析[J].公路交通科技（应用技术版）,2019(6):228-230+240.

[5] 张林华.基于静载试验的预应力混凝土连续梁桥承载能力研究[J].公路工程,2019(2):205-210.

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