通过桥梁静载试验来评定桥梁的使用性能与承载能力
2011-06-09 来源：
随着我国桥梁建设事业的飞速发展，新结构、新材料、新工艺日益增多。带来了许多实际的理论、设计、施工问题，成为桥梁检测的新课题，而桥梁结构检测的成果又进一步验证、发展和完善了桥梁设计计算理论、施工技术及其他实践问题。另一方面，桥梁检测也为既有桥梁结构使用性能和残余寿命的评估提供了科学的依据，可以说，随着生产实践的发展，桥梁检测日益显得重要，同时，桥梁建设事业的不断发展也对桥梁检测提出了更高的要求。实践表明，要搞好一次桥梁检测，为设计、施工、理论研究提供可靠和完整的试验资料和科学依据，并不是一件轻而易举的事情，必须明确实验目的，遵循一定的程序，采用科学先进的量测手段，进行严密的准备和组织工作才可能达到预期的目标。简单介绍一下辽宁省公路桥梁基本状况，如下：
一、 辽宁省公路桥梁基本状况
截止2001年末，我省公路总里程为46603公里，桥梁总数为561610米/17706座。其中:国道4545公里，桥梁152603米/3186座；省道7321公里，桥梁134643米/3574座；县级路10277公里，桥梁127817米/4407座；乡级路23171公里，桥梁140171米/6195座；专用路1189公里，桥梁6376米/344座。桥梁配套率为94%。按技术等级分:特大桥49683米/55座，大桥139565米/772座，中桥160647米/2838座，小桥204055米/13682座。其中危桥10717延米，占总长1.9%，194座，占总数的1.1%。而目前，这个数值可能还要高。这就给我们提出了新的问题，如何快速、准确判断桥梁所处的状态，为管理部门提供可靠的依据。目前主要是用静载试验来判定桥梁的承载能力，本文简单的介绍一下静载试验。
二、各种桥梁的桥型及常见的病害
近年来我省重点对双曲拱桥、工字梁与微弯板组合梁、T型梁桥（有、无中横隔梁）、刚架拱桥、悬臂梁桥等典型桥梁进行了维修与加固，按病害与维修加固技术大体分两个方面，一是对这些桥型桥梁的通病的整治，二是对这些桥梁的个性病害的整治。
1、常见的病害：
上部包括:构件各种变形与受力裂缝；钢筋锈蚀引起砼剥落；长期荷载下梁体挠度超限；桥面塌陷；桥面加宽及各装配构件的纵缝构造；上部构造横向分布刚度不足，个别纵梁梁头破损整治；桥面漏水引起砼严重碳化；砼保护层剥落破损缺陷；装配构造的失效与过大的变形。
下部包括：基础承载力不足；基础变形过大；台后土压力超限，前墙砼开裂，台后渗水，桥台砼冻胀变形。
（1） 个性病害
①.双曲拱：腹板开裂（横向）与立墙侧移错台；拱肋强度不足，拱肋拼装接头松弛与拱轴线变形；拱波纵向开裂，拱波横向与拱肋联结失效及拱波冲剪破坏桥面塌陷。
②.工字梁与微弯板组合梁：工字梁梁端砼剪压破坏；工字梁马蹄砼剥落；微弯板砼纵横开裂；微弯板与工字梁联结脱离；微弯板纵向分块长度不等引起微弯板冲剪破坏，微弯板横隔梁断裂；工字梁、微弯板及桥面铺装三者连接分离。
③.刚架拱：拱肋装配联结松弛，合拢封温度偏高，在低温状态下，拱轴线严重下沉，拱肋、拱波联结系梁断裂，拱波冲剪破坏，拱肋砼承载能力不足，拱脚变位。拱肋截面变化部位空洞效应引起应力集中，裂缝严重；拱肋预制安装过程形成大量施工裂缝；装配构件刚性联结，限止结构伸缩，导致结构局部开裂。
④.T型梁：主梁抗剪能力不足，出现斜向裂缝；伸缩装置处桥面板砼较薄，刚度低，造成伸缩装置锚固失效，主梁横向联结方法不当，砼开裂及漏水，砼碳化；主梁砼蒸气养生不当，主梁砼耐久性降低及破损；无横隔梁，在重交通与大交通作用下荷载横向分配不均；砼T梁长期荷载下挠度超限；T梁钢板支座长期使用锈蚀，造成梁头砼破损；桥面连续构造不合理，抗冲剪能力较弱形成砼桥面破损。
⑤.梁拱组合的中承式拱桥；主拱肋承受二次内力，恒载压力线远离拱轴线；吊杆安全保护构造不当，储备不足；梁拱组合桥采用拱式构造桥面系的破损影响；桥面系的伸缩构造；平面计算弊病。
三、静载试验概述
桥梁静载试验是按照预定的试验目的与试验方案,将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置上,观察桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量的试验项目，然后根据有关规范和规程的指标，判断桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力。
桥梁静载试验可以是生产鉴定性试验或科学研究性试验；可以是组成桥梁的主要构件试验或全桥整体试验；可以是实桥现场检测或者是桥梁结构模型的室内试验。为了能够较为客观地反映桥梁结构的工作性能，桥梁检测多采用实桥现场检测。一般地，桥梁静载试验主要是解决以下问题。
四、静载试验主要解决的问题
1、检验桥梁结构的设计与施工质量，验证结构的安全性与可靠性。对于大、中跨度桥梁，都要求在竣工之后，通过试验来具体地、综合地鉴定其工程质量的可靠性，并将试验报告作为评定工程质量优劣的主要依据之一。
2、验证桥梁结构的设计理论与计算方法，充实与完善桥梁结构的计算理论与施工技术，积累科学技术资料。随着交通事业的不断发展，采用新结构、新材料、新工艺的桥梁日益增多，这些桥梁在设计、施工中必然会遇到一些新问题，其设计计算理论或设计参数需要通过桥梁试验予以验证或确定，在大量试验检测数据积累的基础上，就可以逐步建立或完善这类桥梁的设计理论与计算方法。
3、掌握桥梁结构的工作性能。判断桥梁结构实际承载能力。目前，我国已建立了数万座各种型式的桥梁，在使用过程中，有些桥梁已不能满足当前通行荷载的要求，有些桥梁由于各种自然原因而产生不同程度的损伤与破坏，有些桥梁由于设计或施工差错而产生各种缺陷。对于这些桥梁，经常采用试验的方法，来确定其承载能力和使用性能，并由此确定限载方案或加固改造方案，特别是对于那些原始实际施工资料不全的既有桥梁，通过静载试验确定其承载能力与使用条件就显得势在必行。
五、静载试验的主要环节
根据实际情况，必须把握住以下三个主要环节。
1、明确试验目的。抓住主要问题。桥梁静载试验涉及到理论计算、测点布置、加载、测试、数据分析整理多个方面。因此，在进行试验之前一定要明确试验目的，预测试验桥梁的结构行为。这样一来才能有的放矢，合理的选择仪器仪表。准确的确定加载设备及加载程序，科学的布置测点及测试元件，充分地利用有限的人力、物力及其他有利条件，采取各种必要的手段，以达到预期的试验效果。
2、精心准备、严密组织。桥梁静载试验由于观测项目比较多、测点多、不同仪器仪表多，这就要求试验工作必须有严格的组织，统一的指挥，并能够紧密配合，协同作战。在正式试验之前，要做好充分的准备工作，对一些关键性的测试项目和测点要考虑备用的测试方法，注意防止和消除意味事故。大量试验证明，如果试验工作的某些环节考虑不周，轻者会使试验工作不能顺利进行，严重的会导致整个工作的失败。
3、加强测试人员培训，提高测试水平。参加测试检测的工作人员，必须在试验之前，熟练地掌握仪器的性能、操作要领以及故障排除技术和技巧，了解本次试验的目的、试验程序及测试要求。
六、工程实例
到目前为止，我参加了我现在所在的单位（辽宁大通公路工程有限公司）对辽宁省的6座桥梁的静载试验，受益匪浅。试验的目的就是评定桥梁的承载能力及使用性能，通过实验结果来评定该桥的残余寿命及该桥是否需要加固。我就拿其中的1座为例（辽中境内沈环线某大桥）
某大桥位于沈阳市辽中县境内沈环线上，中心桩号为K227+176。该桥建于1970年。全桥共39孔，单孔跨径为22.2米。桥梁总长为870.8米。桥面净宽7米，两侧各设0.75米的人行道。主桥上部结构钢筋混凝土T形梁，第1孔～第6孔有9道横隔梁，第7孔～第39孔有5道横隔梁，跨中截面高度为1.35米；下部结构为钢筋混凝土双柱式墩桩基础。设计荷载为汽-13级，拖-60。该桥2000年普查为二类桥。2003年普查评定为三类桥。
1、荷载试验
1）、加载方式及挠度布置
本次试验挠度测点布置在第八孔跨中底部、4#梁4分点及4#梁的支点附近，和第六孔跨中底部，详细布置如下图。
2、荷载等级
加载分级：采用两辆解放自卸车分三级加载。一级186.05kN、二级380.15kN、三级480.65kN，相当1.42倍1954年汽-13加重车（338kN），1.2倍1972年汽-15加重车（400kN），0.80倍1956年汽-18加重车（600kN）。
3、加载程序
0——186.05 kN——0
0——380.15 kN——0
0——480.65 kN——0
4、车辆轴距测量及称重
加载车前轮轮距1.90m、后轮轮距1.85m、前后轴距3.25m，双后轴距1.25m。各级荷载下车轮称重见下表。
表1 加载车辆称重表
加载等级 总重（KN） 车辆编号 前轮重（KN） 全轮重（KN） 后双轮重（KN） 后单轮重（KN）
第一级 186.05 辽A53966 32.90 87.95 55.05 27.15
辽A53566 37.6 98.10 60.50 29.95
第二级 380.15 辽A53966 58.80 207.45 148.65 66.15
辽A53566 55.90 172.70 116.80 57.40
第三级 480.65 辽A53966 53.15 233.50 180.35 87.20
辽A53566 54.70 247.15 192.45 97.05
5、挠度测试结果
5.1 第6、8孔跨中挠度
表2 各级荷载下第6孔跨中挠度表 单位：mm
梁号
荷载 1# 2# 3# 4# 5#
186.05KN 实测值 2.013 2.082 2.43 2.66 2.91
计算值 3.39 3.51 4.09 4.48 4.90
校检系数 0.5938 0.5932 0.5941 0.5938 0.5939
380.15KN 实测值 3.47 4.37 5.19 5.67 5.75
计算值 5.99 7.54 8.96 9.78 9.92
校检系数 0.5793 0.5796 0.5792 0.5798 0.5796
480.65KN
实测值 4.67 5.73 6.52 7.20 6.55
计算值 8.23 10.10 11.49 12.69 11.55
校检系数 0.5674 0.5673 0.5675 0.5674 0.5671
表3 各级荷载下第8孔跨中挠度表 单位：mm
梁号
荷载 1# 2# 3# 4# 5#
186.05KN 实测值 1.081 2.963 3.045 3.045 2.965
计算值 1.681 4.608 4.735 4.735 4.611
校检系数 0.6431 0.6431 0.6431 0.6431 0.6430
380.15KN 实测值 2.910 5.180 6.295 6.315 6.190
计算值 4.56 8.13 9.88 9.91 9.71
校检系数 0.6382 0.6371 0.6371 0.6372 0.6375
480.65KN 实测值 3.960 6.780 7.985 7.830 7.547
计算值 6.276 10.746 12.656 12.410 11.962
校检系数 0.631 0.631 0.631 0.631 0.631
5.2 跨中横向分配
表4 各级荷载下第6孔各梁的横向分布系数（单辆车）
梁号
荷载 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 各级荷载下第8孔各梁的横向分布系数（单辆车）
梁号
荷载 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
上表中数据的计算,是现场实测值与跨中各百分表数值之和的比值。
讨论:①.第6孔和第8孔T梁在汽车荷载作用时最大横向分配系数分别为0.4696和0.4682；最大挠度分别为7.2mm和7.985mm。
②.从荷载与挠度曲线基本呈线性来看，表明T梁正截面强度在汽-13级荷载作用下是正常的，该桥还有一定的使用性能。
③.实测挠度与其它类似桥梁对比偏小，横向分配系数也相对较小，说明该桥上部结构相对比较好。
6、应变测试
注：应变测点布置在第8孔4号梁距跨中20cm处，1#点布置在钢筋表面，其余布置在砼表面。
表6 8-4#梁手持应变仪测试应变结果表 单位：με
荷载
点号 第一级（186.05kN） 第二级（380.15kN） 第三级（480.65kN）
1#
（距底面12cm） 实测值 104 99 179
计算值 70 158 205
校验系数 1.485 0.6266 0.873
1#测点贴在钢筋表面，测量数据基本可信。粘贴在混凝土表面由于存在裂缝，因此混凝土表面的应变值偏大不准确，表中未列入。
结论：
1、该桥在相当于1.42倍汽-13级荷载下，最大挠度为7.985mm，小于L/600=36mm，最大校验系数为0.643，在规范允许的0.5～0.9范围内；应变校验系数为0.873接近于规范允许范围0.4～0.8的上限值，说明该桥现在满足汽—13级荷载。
2、该桥桥面系、人行道系、伸缩缝均已不同程度损坏，尤其是个别铰缝对应处桥面已经漏空，严重威胁着过往车辆的行车安全，随时都有造成交通事故的可能。
3、边梁腹板顺筋裂缝、空鼓、钢筋外露现象比较严重，不同程度地削弱上部承重结构的承载能力；横隔梁钢板开焊、扭曲现象非常普遍，已经失去了横向联接作用。
4、在相当于1.42倍汽-13级荷载作用下，T梁荷载挠度曲线基本呈线性变化，砼强度满足C25，碳化深度未达到主筋保护层，梁体还具有一定的耐久性，T梁在加强荷载横向分配、避免单板受力、处理好铰缝处的正常联接情况下，尚有加固可能。
综上所述该桥上部主梁承载能力虽然满足汽-13级荷载,但不满足实际通行重车荷载及干线公路桥面净宽的要求，而且桥面及伸缩缝破损严重，桥面已经出现漏空现象，快要成为四类桥，应及早进行加固处理。
小结:
1、从某大桥的两孔试验数据的实测值、推算值、理论值的比较,静载试验法适用于等效荷载是均布荷载和跨中集中荷载情况。可正确评定某座桥梁的工作状态和承载能力。此外,静载试验法仅在现场量测梁的挠度和支座沉降,极大地简化了试验内容与测试程序,降低了试验环境和测试系统所引起的误差,从而提高了检测的准确性与检测效率,对某座桥梁的技术鉴定具有很大的现实意义。本试验方法可以应用于其它形式预制梁的静载试验,以及桥梁结构静力试验,可减少实验测定,以及进行对比分析,优越性也是极大的。
2、静载意义：
①.体现其实际应用，反映梁的承载能力，可通过校验系数有所反映。
②.体现桥梁的整体实际静止状态下的受力情况。
③.简便、方便、便于操作。
