公路橋梁承載能力試驗與檢測方法

1、公路橋梁承載能力試驗與檢測方法諶潤水(江西省交通科學(xué)研究院,江西 南昌330038)摘要：我國公路橋梁的設(shè)計荷載標準已作了重大調(diào)整，不僅和國際標準模式接近，更加符合實際情況，也簡化了設(shè)計計算工作。相應(yīng)的公路橋梁承載能力試驗與檢測工作也應(yīng)調(diào)理，重點測試橋梁的內(nèi)力縱向影響線和荷載橫向分布系數(shù)，進而分析評定橋梁的實際承載能力。關(guān)鍵詞：公路橋梁；承載能力；縱向影響線；試驗；檢測；方法1前言1.1公路橋梁承載力試驗的目的與作用全國每年都有一大批結(jié)構(gòu)新穎、雄偉壯觀、形式多樣的橋梁建成，無論在橋梁單跨跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和施工技術(shù)難度方面，我國橋梁建設(shè)技術(shù)水平已進入世界先進之列。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，橋梁結(jié)構(gòu)的

2、設(shè)計方法和設(shè)計理論都有了根本性的變化，然而影響橋梁工程質(zhì)量的許多不確定因素仍然存在，對于建成后的橋梁工程質(zhì)量，人們更希望了解和掌握其使用性能和效果。對那些影響較大、結(jié)構(gòu)新穎、隱蔽工程較多的橋梁進行全橋?qū)崢蚝奢d試驗，是竣工驗收時對橋梁工程內(nèi)在質(zhì)量進行評判時最直接和有效的方法和手段。同時亦為設(shè)計理論、施工技術(shù)總結(jié)積累經(jīng)驗，為橋梁建設(shè)的整體水平提高創(chuàng)造條件，為今后橋梁的養(yǎng)護管理提供科學(xué)依據(jù)。美國一位專家曾說過：“無論多么高新的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)都不能取代用于評估公路大橋性能的現(xiàn)場測試。當建筑物承受工作荷載時，記錄下應(yīng)變測試結(jié)果，根據(jù)測試結(jié)果工程師就能更好地了解橋梁的真實結(jié)構(gòu)響應(yīng)?！?.2新的公路橋梁汽車荷

3、載標準我國頒布的行業(yè)標準公路工程技術(shù)標準（JTG B01-2003），將使用近40年的原公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的車輛荷載標準模式及其分級作了重大調(diào)整。一是將四級標準車隊荷載改為公路-級、公路-級兩級汽車荷載；二是汽車荷載采用了國外普遍采用的車道荷載和車輛荷載組成的模式；另外，從形式上取消了驗算荷載，將驗算荷載的影響通過多種途徑間接地反映到汽車荷載模式中。而公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTG D 60-2004）亦提出在公路橋涵設(shè)計時，車道荷載橫向分布系數(shù)應(yīng)按設(shè)計車道數(shù)布置車輛荷載進行計算；同時多車道橋梁上的汽車荷載應(yīng)考慮多車道折減；當橋梁計算跨徑大于150m時，還應(yīng)按規(guī)定的縱向折減系數(shù)進行折減；當為多

4、跨連續(xù)結(jié)構(gòu)時，整個結(jié)構(gòu)應(yīng)按最大的計算跨徑考慮汽車荷載效應(yīng)的縱向折減。1.3解讀新的汽車荷載標準美國早在1944年就在美國公路橋梁規(guī)范（AASHO）中采用車輛荷載與車道荷載，即雙軌制的活載標準，用以補充活載設(shè)計標準的缺陷與不足。采用車道荷載的最大優(yōu)點是，車道荷載便于在影響線上布載，一旦影響線形狀、面積及最大坐標值已知，則加載手續(xù)簡便，計算工作量少；而對于特定橋型結(jié)構(gòu)的橋梁，其內(nèi)力影響線又是一定的。所以，為簡化橋梁活載標準，同時也是為了更加符合橋梁實際使用情況，我國公路橋梁的汽車荷載標準采用國際上常用模式是利多弊少的。對于新的汽車荷載標準，通用規(guī)范的條文說明是：原規(guī)范汽車荷載的計算圖式是一輛加重車

5、和具有規(guī)定間距的若干輛標準車組成的車隊表示的，實踐表明這種圖式對人工和計算機加載計算都不很方便，且計算效應(yīng)隨橋梁跨徑的變化是不連續(xù)的。而采用由均布荷載qk組成的圖式，只要知道橋梁的影響線面積和最大豎坐標，荷載效應(yīng)即可計算出來，并且這些影響線面積和豎坐標值可在橋梁設(shè)計的有關(guān)手冊查得或通過較為簡單的計算得到。規(guī)范所規(guī)定的車道荷載實際上是一個虛擬 荷載，它的標準值qk和pk是由對汽車車隊（車重和車距）的測定和效應(yīng)分析得到的。在橋梁設(shè)計時，為取得主梁的最大受力，汽車荷載在橋面上需要偏心加載，其方法仍可用車輛荷載偏心加載，從而得到汽車荷載橫向分布系數(shù)。為適應(yīng)新的汽車荷載標準，在進行公路橋梁承載力試驗和檢

6、測時，則應(yīng)重點測試橋梁的內(nèi)力縱向影響線和荷載橫向分布系數(shù)，進而分析評定橋梁的實際承載能力。2公路橋梁承載能力試驗與檢測方法2.1橋梁承載能力定量檢測程序?qū)窐蛄簩嵤┖奢d試驗用于檢測和評定其承載能力和實際狀況，應(yīng)遵循內(nèi)外相統(tǒng)一的因果規(guī)律，通過由現(xiàn)象到本質(zhì)、由表及里的深化認識和跟蹤，從檢測和現(xiàn)場荷載試驗入手，尋求橋梁現(xiàn)狀和承載力的定性關(guān)系，從而確定橋梁具體測試方案、測試孔跨及其測試部位，按逐級加載的多工況實施靜態(tài)測試；按不同車速進行動態(tài)測試；利用應(yīng)力釋放原理，施測結(jié)構(gòu)自重恒載應(yīng)力（有條件和具有相應(yīng)測試儀器可考慮做此項測試工作）及混凝土彈性模量；對結(jié)構(gòu)幾何尺寸作空間變形觀測；對混凝土材料標號用綜合

7、法作探測試驗等等。在一系列實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將實測值與理論值作相似條件下的對比分析，以校驗系數(shù)作為指標參數(shù)和合理性的衡量標準。由此，對得出的承載力指標，再經(jīng)過可靠度分析和實際狀況評定，從而確定橋梁實際承載能力和實際狀況。2.2橋梁縱向影響線的測試反映橋梁承載力的主要指標當數(shù)各控制截面的內(nèi)力或應(yīng)力，按新規(guī)范要求，當橋梁的縱向影響線和最大豎坐標已知后，荷載作用效應(yīng)（內(nèi)力或應(yīng)力）即可得到，橋梁的承載能力也就知道。下面結(jié)合工程實例，介紹采用雙軸荷載測定橋梁控制截面內(nèi)力縱向影響線的方法，進而對橋梁承載能力進行評定。3拱橋承載能力測試實例3.1黃花大橋概況黃花大橋位于江西省萍鄉(xiāng)市的320國道上，是一座鋼筋

8、混凝土雙曲拱橋，全長188m，主橋三跨，每跨凈距28.5m。主橋設(shè)計荷載：汽-13，拖-60，橋面凈寬7.3m，無人行道，矢跨比1/6，設(shè)計拱軸系數(shù)M=2.20，主拱圈寬度為8m，拱圈厚0.88m，立柱式腹拱墩。下部構(gòu)造為：15#片石混凝土實體墩和橋臺，橋墩頂寬2.5m，基礎(chǔ)均為明挖擴大基礎(chǔ)。載位的載位系列可求得拱頂截面上各測點的影響線峰值，因為其中載位3.3橋梁荷載橫向分布系數(shù)測定為測定橋梁的荷載橫向分布情況，分別在試驗孔拱頂和L/4截面加載測得主拱圈撓度，進而求得橋梁的實際橫向分布系數(shù)。表1主拱圈（跨中和L/4處）實測撓度與橫向分布系數(shù)序號 截面 肋號加載位置 跨 中 L/4 1 2 3

9、4 5 1 2 3 4 51 拱頂位置 0.55 0.60 0.70 0.80 0.565 0.023 0.025 0.026 0.029 0.0302 L/4處加載 0.10 0.075 0.12 0.055 0.15 0.056 0.063 0.065 0.067 0.0693 荷載橫向分布系數(shù) 0.171 0.186 0.218 0.249 0.176 0.175 0.197 0.203 0.209 0.216注：拱肋編號由上游往下游編為15#肋。加載為兩輛各重300KN“大交通”偏下游布置。3.4大橋承載能力測試結(jié)果由實測的橋梁荷載橫向分布系數(shù)可知，大橋各肋分配內(nèi)力較均勻，整體性能較好

10、。由圖2可知，在兩輛“羅曼”車作用下，無論是跨中截面的混凝土和鋼筋應(yīng)力，還是L/4和拱腳截面混凝土應(yīng)力，其沿橋跨的縱向分布情況，以及相應(yīng)的縱向影響線均和理論情況相吻合。說明該橋的施工質(zhì)量和使用性能較好。拱上建筑與拱圈聯(lián)合作用明顯。4連續(xù)箱梁橋承載能力測試實例4.1大橋概況江西吉安贛江公路大橋全長1577.08米。全橋橋孔布置為3416米空心板+540米T梁+（60+4100+60）米連續(xù)箱梁（主橋）+240米T梁+1416米空心板。橋面凈空為凈15+21.76米人行道。設(shè)計荷載：汽車超20級，掛車120，人群荷載3.5千牛/平方米。本橋主橋上部構(gòu)造為雙箱單室連續(xù)箱梁，下部構(gòu)造為V形預(yù)應(yīng)力混凝土

11、墩，基礎(chǔ)為1.8米鉆孔灌注樁。4.2試驗?zāi)康暮蛢?nèi)容本次試驗的目的是檢測大橋結(jié)構(gòu)的剛度、強度和整體受力性能，檢驗大橋是否符合設(shè)計要求及能否正常使用。因此，根據(jù)本橋主橋設(shè)計特點，以及正負彎矩分布情況，在汽車超20級荷載作用下最大正彎矩位于距39號橋墩支座中心沿BANNED方向108.9米處跨中截面（以下稱A截面），最大負彎矩位于距39號橋墩支座中心沿BANNED方向173.34米處支座截面（以下稱B截面）。各V型橋墩墩頂設(shè)縱橫系梁是保證V形墩正常工作的重要部件，縱向系梁為預(yù)應(yīng)力混凝土，橫向系梁為普通鋼筋混凝土。為此，測試截面定為A截面、B截面及41號橋墩墩頂縱系梁中點截面（以下稱C截面）。4.3測

12、試方法由于本橋跨徑大，測試范圍長，橋面寬，設(shè)計荷載標準高等特點，如采用通常用汽車加載，按設(shè)計規(guī)范的四列車隊滿布橋面的方法，則需要大量的重型車輛，不僅這種車輛一時難以尋找和集中，而且需花費過多的經(jīng)費。為此，本次試驗采取對上述截面測取實橋在試驗荷載作用的實際混凝土應(yīng)力和撓度縱向影響線，并和試驗荷載作用下理論計算的大橋相應(yīng)截面的混凝土應(yīng)力和撓度值進行比較分析，從而鑒定大橋是否符合設(shè)計要求和能否滿足正常使用。4.4試驗加載汽車縱向車位布置試驗時加載汽車縱向車位布置是從39號橋墩上的連續(xù)箱梁端部開始，向BANNED方向每隔8米作為一個測試車位，用紅油漆和鋼尺在橋面上標出。共計布置41個車位，計加載范圍總

13、長335米。此時加載后對A、B、C截面產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度值很小，可以不考慮其影響。表中數(shù)字前符號為(-)者表示受拉，未帶符號者表示受壓(下同)。大跨徑混凝土橋梁的試驗方法要求校驗系數(shù)：1.00.8。表3B截面實測應(yīng)力與理論計算值比較表車位號 后軸距端點長（m） 上緣應(yīng)力（MPa） 下緣應(yīng)力（MPa） 實測值 理論值 校驗系數(shù) 實測值 理論值 校驗系數(shù)15 120 0.136 0.149 0.91 -0.158 -0.164 0.9620 160 -0.132 -0.143 0.92 0.152 0.158 0.9625 200 -0.802 -0.827 0.97 0.904 0.912 0.9

14、932 256 0.061 0.065 0.94 -0.068 -0.072 0.9438 304 -0.058 -0.066 0.88 0.066 0.072 0.92表4C截面實測應(yīng)力與理論計算值比較表車位號 后軸距端點長（m） 實測應(yīng)力（MPa） 理論計算值（MPa） 校驗系數(shù)（）3 24 -0.907 -1.055 0.868 64 -1.638 -1.840 0.8920 160 -2.370 -2.548 0.9325 200 -0.328 -0.360 0.9130 240 -0.807 -0.949 0.85注：表中數(shù)字前符號為（-）者表示受拉，未帶符號者表示受壓。大跨徑混凝土

15、橋梁的試驗方法要求校驗系數(shù)：1.00.8。表5A截面實測撓度與理論計算值比較表車位號 后軸距端點長（m） 實測撓度（mm） 理論計算值（mm） 校驗系數(shù)（）3 24 -0.65 -0.71 0.928 64 0.79 0.82 0.9614 112 -6.87 -7.03 0.9819 152 0.66 0.70 0.9425 200 -0.87 -0.90 0.97注：表中數(shù)字前（-）表示該截面向下變形，未帶符號表示向上變形。表6A截面實測四列車偏載時橫向分布系數(shù)（活載）分析表車位號 上游箱梁實測撓度（mm） 下游箱梁實測撓度（mm） 活載橫向分布系數(shù) K(實測) 考慮活載折減后14 -6.

16、87 -4.36 2.447 1.60119 0.66 0.42 2.400 25 -0.87 -0.56 2.434 注：表中數(shù)字前（-）表示該截面向下變形，未帶符號表示向上變形。由表2至表5中各截面的實測值和相應(yīng)的理論計算值的校驗系數(shù)可知，均符合大跨徑混凝土橋梁的試驗方法中所規(guī)定的1.00.8的要求，說明本橋無論是從強度上或是剛度上均達到設(shè)計要求。表6中由實測撓度所推出的活載橫向分布系數(shù)，較好地吻合理論計算的活載橫向分布系數(shù)，說明大橋的整體受力性能較好，符合設(shè)計要求和滿足正常使用要求。4.6試驗結(jié)論與橋梁承載力評定從吉安贛江公路大橋主橋的鑒定性靜載試驗結(jié)果分析，大橋具有足夠的剛度和強度承受設(shè)計荷載，其橫向聯(lián)系和橋面是強勁的，活載撓度橫向分布與計算值吻合，大橋的整體受力性能良好。因此，可以認為大橋的設(shè)計和施工是成功的，達到了預(yù)期的目的，可以交付使用。5結(jié)語對于需進行施工質(zhì)量評定的新建橋梁，鑒定性荷載試驗的控制荷載就是設(shè)計荷載；按新規(guī)范的要求，橋梁的承載能力可通過實測主要控制截面的內(nèi)力縱向影響線來分析評定。若是需進行承載能力評定的既有橋梁，應(yīng)當先進行全橋檢測，查明病害，再確定控制荷載，以防進行荷載試驗時給既有橋帶來新的損傷；如進行荷載試驗是為測試重型車輛是否能通過該橋，控制荷載應(yīng)選擇與重型車輛具有同樣效應(yīng)的布載方式。鑒于我國現(xiàn)行的公路舊橋承載能力鑒定方法中靜力加載試驗項目