某服役预应力混凝土桥梁静载试验分析

游正勇

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

作为路面交通的重要组成部分，桥梁结构稳定性对确保行车通畅、通行安全有重要意义。随着服役时间的增加，在地基沉降、超荷载、环境腐蚀、设计缺陷等因素的影响下，桥梁安全性不断降低，运行风险提高。与此同时，桥梁实际服役状态与理论检测结果之间存在差异，复杂的工作环境会直接影响其使用寿命和运行安全性[1-3]，加强在役桥梁工作状态的监测意义深远。

桥梁结构静载试验是了解桥梁工作状态的有效手段，即在桥梁特定位置施加荷载，模拟桥梁实际工作状态以获取挠度、应力等指标，结合指定截面数据进行理论分析，探究桥梁的承载力和安全性，寻找可能存在的安全隐患并及时处置，降低事故风险[4]。

1 工程概况

某公路桥梁项目全长94.2 m，桥面宽度10 m，共5跨，荷载水平为公路Ⅰ级，详见图1所示。该桥梁上部为预应力箱梁，下部为柱式桥台，桥梁支座为板式橡胶支座，桥面由沥青混凝土和水泥混凝土调平层铺设而成，层厚分别为10 cm和8 cm。通过静载试验探究目标测量点界面挠度与应力，判断桥梁的工作状态是否与设计吻合，借助有限元模型进行模拟，评估桥梁的承载力是否达标。对现场勘测结果进行数据分析，为日常维护提供参考。

图1 桥梁布置示意（单位：m）

2 有限元分析

利用MIDAS/Civil空间有限元软件进行模拟，该软件在预应力箱梁桥、斜拉桥、悬索桥等领域内广泛应用，土木建筑分析功能强大，可提供常见指标参数评估，对桥梁分析和模型设计有重要指导作用[5]。

（1）计算参数：荷载等级为公路Ⅰ级，荷载系数分为横向分布系数和纵向折减系数，其系数分别为0.608和1.01。

（2）计算模型：根据该方案实际情况，桥梁为空间单元模拟，合计185个模拟单元。依据荷载情况获得桥梁弯矩包络图，结果显示边跨弯矩水平最大。

3 静载试验

在桥梁选定目标位置施加静荷载，控制应变、截面位移等参数，加强现场勘测，评估桥梁在一定荷载水平下的工作状态和性能指标。

3.1 静载试验步骤

静载试验可分为三个阶段：1）对桥梁整体结构进行观察和检测，做好准备工作；2）加载或卸载，记录桥梁在此过程中的应变、位移等数据变化；3）比较静载条件下的模拟数据，对试验结果进行分析和总结，判断桥梁状态。

（1）观察桥梁整体性，判断其结构完整与否，做好试验前的准备工作，了解桥梁设计状况、试验操作计划、桥梁状态、施工现场实施细节等内容。该阶段是确保静载试验成功的基础，通过对试验条件的准备，为后续操作提供保障。

（2）桥梁荷载与卸载。根据试验条件与参数设计，进行桥梁加载，做好试验记录和数据分析，监测在此过程中的桥梁变化，根据拟定的条件对桥梁加载，并观测测试仪的数据变化[6]。加载过程中，需要对现场勘测数据和实验结果进行比对，判断模拟值与实测值之间的关系。根据参数关系判断是否可以继续加载，评估桥梁性能和安全状态，尤其是存在安全隐患的桥梁，必须严格控制加载水平，避免引发安全事故。

（3）计算和比对静载试验条件下的模型数据。测试后，记录原始资料，收集图片、文字、数据等，寻找内在规律，并保留有用的资料，通过软件对相关数据进行专业化处置，根据技术操作规程、方案规定科学评价参数意义，评估桥梁状态和性能[7]。

3.2 加载方式

此次桥梁静载试验荷载为32 t三轴汽车，为探究桥梁应力和应变指标变化情况，根据等效荷载效应分阶段施压荷载。用ηq表示静力荷载试验效率，该指标计算公式如（1）所示，表示试验荷载与设计荷载的等效程度。桥梁在服役状态下受多重因素影响，且受力结构多为复合性，静力荷载试验效率值一般在0.95~1.05区间内。

式中，S——静载试验中目标测量点界面的最大荷载效应；S′——设计荷载水平下的对应界面荷载效应；μ——冲击系数，为规定的规范值。

该桥梁静载试验结合工程特征，选用不同类型的车型进行试验，加载车辆的技术参数如表1所示。

表1 加载车主要技术参数数据

对有限元模型的模拟结果进行分析和对比总结，可获得桥梁的荷载效率，详见表2。

表2 静力荷载试验加载效率

3.3 加载过程

此次静载试验采用分级加载的方式进行四次加载。每一级加载确保桥梁结构稳定后，方可进行第二级加载，加载需于确定位置逐步进行。判断稳定状态：每次加载后对目标位置观测点横截面变位增量进行观测，最后观测5 min内变位增量小于最初观测5 min变位增量15%判定为其结构稳定，荷载检测的总时间应大于15 min。静载试验需由专业技术人员现场指挥，并观测和记录现场数据，根据试验数据分析桥梁情况，为后续工序奠定基础。

3.4 测点布置

以桥梁箱形截面梁受力特点为基础，利用有限元模型软件MIDAS/Civil构建内力包络图，并结合该项目静载试验目标进行分析，详见图2所示。1-4#梁为挠度测量点，1#~8#测点、11#~13#测点、21#~23#测点为应力测量点。

图2 控制截面及测点布置（单位：cm）

4 试验结果分析

4.1 挠度

静载试验满载条件下的桥梁挠度情况如图3所示。对图3分析可知：1）各监测点的挠度数据模拟值与实测值之间并无明显差距，主梁横断面各个监测点挠度数据无显著突变情况，主梁横向方向挠度曲线相对平缓，相比于理论数据，实测值绘制的实测挠度曲线曲率较小；2）挠度值的实测结果在计算挠度与弹性挠度区间内，综合分析后可知，桥梁卸载后的相对参与变形不足20%，表明试验中主梁的受力相对均匀，横向稳定性突出；3）相邻主梁间的刚度值大于理论计算值，表明该桥梁的静载结果客观，即桥梁的弹性状态良好，处于安全工作范围内。

图3 挠度测试结果

4.2 应力

静载试验中桥梁满载情况下的各监测点应力状况如图4所示。对图4分析可知：1）不同监测点的拉应力值为负值，基本符合桥梁的受力状态，监测点未出现明显的变形和受力改变；2）满载情况下，实际测量应力值和弹性应力值基本吻合理论模型，弹性应力值大小与计算值基本相当，表明桥梁基本处于正常工作状态下，参与应力值不足20%，表明结构稳定性良好；3）由此可见，该桥梁控制截面下翼缘板的弹性工作状态良好，桥梁处于安全工作状态下。

图4 下翼缘板底应力测试结果

桥梁静载试验中满荷载情况下的桥梁腹板各监测点应力情况如图5所示。对图5分析可知：1）各腹板监测点的实测应力值小于计算值；2）满荷载情况下桥梁处于弹性状态，腹板几何外形与各监测点的曲线反映情况基本一致，未出现应力突变状况，表明系统处于正常工作状态，测试结果符合设计标准，截面结构合理且稳定；3）由此可见，桥梁满荷载作用下，腹板的弹性良好可维持正常工作状态。

图5 腹板应力测试结果

对上述应力测试结果分析可知，不同截面监测点的满荷载条件下的应力值均符合要求，桥梁均能保持良好的弹性状态，无明显的应力突变现象，表明截面符合系统要求，参数设计符合规范，桥梁安全性突出，无安全隐患。

4.3 校检系数

校检系数ζ是评估现役桥梁结构稳定性和工作性能的重要指标，静载试验中可以用应力或应变指标的实测值与理论值之间的比值来计算，计算公式如下：

式中，Se——静载试验条件下满荷载水平时，测量点的应变或应力实测值；Ss——静载试验条件下，满荷载水平时测量点横截面对应的理论应变或应力值。查找相关资料发现校检系数小于1时，桥梁结构稳定性突出，表明其处于正常状态，工作性能良好可以满足系统需求，理论计算值与实测值之间的误差小，桥梁可以提供充分的安全保障。

以现场勘测数据为基础，结合计算结果获得桥梁校检系数，详见图6所示。对图6内容分析可知，桥梁校检系数水平在0.7~0.8范围内，表明桥梁处于正常工作状态下，符合相关规范要求，可以提供相对充分的安全保障。

图6 校检系数分布情况

5 结论

通过桥梁静载试验，分析了在役桥梁挠度、应力、承载能力等指标，通过对相关数据的分析，评估在役桥梁的工作状态，结论如下:

（1）静力荷载试验结果证实，桥梁荷载效率在0.97~1.02区间内，符合相关标准，即桥梁满荷载情况下可以确保安全性，工作状态稳定，基本符合设计规范对荷载效应的要求。

（2）各监测点主梁受力情况相对均匀，横向挠度、应变曲线平缓，残余变形不足20%，证实桥梁的弹性指标合规，可在静载试验条件下处于正常工作状态，试验检测数据与理论值之间并无明显差异。

（3）主梁控制截面校验系数在0.7~0.8范围内，证实桥梁刚度与结构强度指标均满足设计标准，可确保正常使用。

综上所述，该在役桥梁工作性能良好，试验检测结果与模拟计算值基本吻合，表明桥梁使用安全性高。