旧桥静载试验及评定

余西成

(武汉轻工大学土建学院，湖北武汉 430023)

0 引言

由于最近30年来交通量逐年增加，车辆超载的现象日趋严重，大量的桥梁在超负荷运营，桥况已难以承受未来交通量增长带来的压力，为确定永清桥能否满足最新规范的荷载标准，确定升级改造的必要性，本文将以永清大桥检测项目为工程实例，对该桥进行了详细的检测与静载试验，并按公路—Ⅰ级荷载标准进行了承载能力鉴定。总结了相关的测试数据，并进行了分析处理，详细介绍公路旧桥的静载试验技术和评定。

1 大桥概况

永清大桥修建于1988年。查阅当年的设计文件，得到荷载设计等级为汽—20级、挂车—100。桥上部结构为5×20 m钢筋混凝土简支T梁，T梁中心间距1 600 mm，梁高1 200 mm，桥面铺装采用水泥混凝土。大桥经过30多年的运营，出现了诸多病害和安全隐患，例如桥面铺装出现多条大尺寸纵向贯通裂缝，钢筋混凝土表面破损严重;伸缩缝损伤较重，且出现了坑槽及明显的跳车现象;同时横隔板连接处钢板破坏严重等等，造成了严重的交通安全隐患。因此，我们对大桥的上构进行了结构检测、评定，为今后的加固工程提供依据，以提高桥梁工作性能和结构技术状况。

2 大桥检测

2.1 检测目的

针对桥梁结构形式和特点，通过全面的质量检测达到如下目的:

对永清大桥空心板梁进行检测包括裂缝分布、钢筋位置和保护层、梁体破损等，全面评估结构的安全现状，为今后结构的分析鉴定和日后的维修养护提供依据。利用静载试验实测桥梁结构的荷载效应，将实测值跟理论计算值进行比较，分析桥梁结构的工作性能，评定营运荷载等级。通过本次观测所积累的数据，监测今后结构能否稳定安全服役，为今后的桥梁维修、补强和构件更换提供技术依据。

2.2 静载试验方案设计

为了更好地评定结构在公路—Ⅰ级荷载下的实际工作状况和承载能力，我们对该桥进行了静载试验。

2.3 静载试验项目、测点布置与试验仪器

静载试验项目:本试验属鉴定性试验，布设3个主要内力控制截面，2个附加控制截面，主要测试项目如下:

试验荷载作用下跨中截面最大应力(或应变)，用以判断混凝土的应力状态;试验荷载作用下跨中截面的最大挠度，用以衡量桥梁结构的实际刚度水平;试验荷载作用下支点截面的挠度和变形;试验荷载作用下梁体裂缝扩展情况;试验荷载下跨中截面挠度的横向分布规律;试验荷载作用下主梁挠度的纵向分布;试验荷载作用下桥墩竖向最大沉降量。

测试截面情况如下:根据简支梁桥的受力特点，跨中截面和支点附近斜截面是内力(或位移)控制截面，因此，本次试验选择试验孔跨中截面为应变和挠度的测试截面，支点附近斜截面为剪切应变测试截面。

测试点的布控和选择情况如下:本试验主要以南边1号、2号、3号、4号、5号梁为检测标的，利用检测设备，在不同等级工况作用下，分别进行应变、挠度的测试，各测点具体设置如下:

1)应变试验的布置情况。

1号、2号、3号、4号、5号梁跨中，1号、2号、3号、4号、5号梁L/4截面。应变片直接粘贴在梁体上，T梁翼缘底面和腹板底面各贴一片;1号梁南支点处剪切应变测试;北边第一孔(1号孔)即试验孔的1号墩北立柱应变测试;1号梁跨中处腹板侧面，2号梁L/4截面处腹板侧面应变测试，以验证平截面假定。

在跨中截面各片T梁的腹板及底板上布设应变测点。

2)挠度测点的布置情况。

1号、2号、3号、4号、5号、梁跨中以及1号、2号、3号、4号、5号梁L/4，3L/4截面以及两支点各布置一个百分表来进行竖向挠曲测试。

2.4 试验采用的仪器设备

1)应变测试。

梁体表面应变采用胶基应变片，静态应变测量系统、计算机及其配套设备。

2)挠度测试。

主梁挠度采用数显百分表和机械式百分表(测试精度0.01 mm)、精密水准仪、钢尺。

3)裂缝观测。

采用裂缝观测仪观测裂缝。

2.5 试验荷载及分布

试验荷载:本桥主梁的荷载试验采用等效荷载作为检测用荷载。荷载试验我们选用与设计荷载活载汽—20接近的重车组作为试验荷载。

2.6 试验布点位置与分级

本桥试验荷载采用6个荷载试验工况，实际检测流程如下:

首先获得支点处的最大竖向支反力工况→测试支座处最大剪力的工况→测试梁体跨中L/4处最大正弯矩，中载布置工况→检测旧桥梁体处L/4处最大正弯矩，偏载布置工况→检测桥梁跨中最大弯矩，中载布置工况→最后检测跨中最大弯矩，偏载布置工况。

在现实检测过程中，保持逐级加载的方式，各加载等级之间不卸载，一直到测试全部完成后，最后一次卸载。

支点最大竖向力工况加载等级Ⅰ为2辆加载车横向并列布置，加载等级Ⅱ为4辆加载车两行两列布置;支点最大剪力工况加载等级Ⅰ为2辆加载车横向并列布置，加载等级Ⅱ为4辆加载车两行两列布置;桥梁L/4处最大正弯矩，偏载布置工况加载等级Ⅰ为2辆加载车并列布置在桥面一侧，加载等级Ⅱ为2辆加载车前后布置在桥面一侧;桥梁L/4处最大正弯矩，中载布置工况加载等级Ⅰ为2辆加载车并列布置在桥面中间位置，加载等级Ⅱ为4辆加载车两行两列布置在桥面中间位置;跨中最大弯矩，中载布置工况加载等级Ⅰ为2辆加载车并列布置在桥面中间位置，加载等级Ⅱ为4辆加载车两行两列布置在桥面中间位置;跨中最大弯矩，偏载布置工况加载等级Ⅰ为1辆加载车布置在跨中位置，加载等级Ⅱ为2辆加载车并列布置在跨中位置，加载等级Ⅲ为2辆加载车前后布置，加载等级Ⅳ为4辆加载车两行两列布置。

3 静载试验过程

由于该桥运营已有30多年，桥上交通量大而且超载运输车辆较多，在试验前不需要预压，而直接进入加载过程。本试验的流程如下。

3.1 试验仪器准备工作

由于设备仪器的准确程度，关系到试验结果的好坏。试验前，试验工作人员对所有测试仪器、设备进行了仔细的检查、标定与调试，然后在正式试验开始前，事先用一辆荷载试验车进行了预加载工作。

3.2 静载初读数

静载初读数是试验正式开始时的零荷载读数。开始处读数标志着荷载试验的正式开始，测量、读数记录人员进入现场各司其职，同时要密切注意人员移动过程中避开检测支架。

3.3 加载过程

在正式加载试验前，针对不同的加载项目，按照试验方案用醒目颜色的油漆在桥上标记详细加载位置，同时安排专人指挥加载车辆的停放。施加每级荷载后，即可进行初读数。每级荷载后的初读数是检验终读数正确与否、判断结构是否进入稳定状态的重要手段。

3.4 稳定读数

按照惯例，试验以控制点的应变值或挠度值稳定为准，只要读数波动值在测试仪器的量程范围之内，就可以进行稳定读数。

3.5 卸载后读数

测试结束后，加载车辆退出试验桥，待稳定后，各测点要回零值。静载试验进程中，实验人员密切重视所有关键控制点的检测结果数值，如果出现异常情况，如与计算值偏离较大、不符合规律、仪器故障等，要重新加载测试，以避免实测资料出现差错。

4 静载试验成果与分析

本试验采用原规范的等效荷载，对旧桥进行静载试验。

4.1 主梁挠度结果分析

主梁挠度检测结果如下:

跨中最大弯矩偏载工况挠度结果:主梁挠度采用百分比测量，对5片主梁全部进行了挠度检测，跨中最大弯矩偏载工况下，各梁挠度实测值见表1。

表1 跨中最大弯矩偏载下各梁挠度测试值

主梁挠度残余变形结果:主梁控制测点的相对残余变位的大小直接反映了结构的弹性工作状况，相比于残余变位越小，则说明结构近似于弹性工作状态，通常要求卸载后相对残余变形和最大试验值的比值不大于20%，在试验荷载卸载后，各测点的残余挠度值很小，小于0.1 mm，故满足要求。

4.2 裂纹检测

在加载试验过程中试验员用专用刻度放大镜对1号梁跨中截面弯曲裂缝进行了测量。在整个加载试验过程中，主梁表面没有出现新的可视裂缝，原有的裂缝宽度扩展明显，长度无明显扩展。跨中最大弯矩偏载工况下，加载前裂缝宽度 0.04 mm，一级、二级、三级裂缝宽度分别为0.09 mm，0.12 mm，0.15 mm，最大加载等级下裂缝宽度达 0.19 mm，尽管加载过程中裂缝宽度呈现明显增加的趋势，但卸载后基本能够恢复，表明其已大体稳定。

5 旧桥的评定

5.1 桥梁技术状况评价

桥梁部件缺损状况评定标准和方法，桥梁各部件技术状况的评定按以下标准进行:首先根据缺损程度、缺损时结构使用功能的影响程度和缺损发展变化状况累加平分方法对各部件缺损状况作出等级评价，与此同时，重要构件以其中缺损最严重的构件评分，其他部件根据多数构件缺损状况评分。

对桥梁的各部件进行标度评定后，再根据《公路桥涵养护技术规范》中采用考虑各部件权重的综合判断方法并辅以按部件评定的方法对桥梁的总体技术状况进行等级评定。

桥梁整体技术状况评定情况:

永清大桥根据《公路桥涵养护技术规范》的桥梁使用功能评价结果即各部件权重及其相应的得分和全桥总体质量状况的评定，可知该桥总体质量状况得分为53.5分，桥梁技术状况评定等级分为五类，根据各部件权重的综合评定方法该桥评为三类桥，需根据实际对桥梁进行定期观测或中修。

5.2 桥梁工作状况评价

通过对全桥各构件的检查评定和分析，发现永清大桥行车道桥面铺装磨损及纵桥向开裂、坑槽较严重;人行道护栏破损及缺失严重;伸缩缝存在断裂缺失;横隔梁钢板搭接出现普遍的断裂破坏，横向联系严重削弱，主梁出现规则的弯曲裂缝和剪切裂缝。从保证桥梁的安全性和耐久性出发，需要尽快对其进行改善或处置。

6 检测与试验结论

通过永清大桥的现场检测试验数据结果，经分析可以得出以下结论:

1)本次静载试验属承载能力鉴定试验，规范规定静载试验效率应介于0.85～1.05之间。本次试验中1号主梁跨中最大弯矩加载工况的计算试验荷载效率为1.5，大于规范建议值，所以完全满足公路Ⅰ级荷载的鉴定要求。

2)根据试验数据显示表明，在承受较大的试验荷载，旧桥的工作性能也较好，基本处于弹性工作范围。在试验过程中，由于荷载试验效率较大，主梁梁肋的弯曲裂缝宽度明显扩展，但裂缝高度并未发展，卸载后，裂缝可完全恢复;试验桥孔的桥墩产生了最大为0.41 mm的沉降，卸载后可基本恢复;在跨中最大弯矩中载工况下，跨中最大挠度为15.11 mm，小于规范规定的L/600的挠度极限。

综上所述，永清大桥的承载能力完全达到公路—Ⅰ级荷载等级的要求，且使用性能良好。在检算荷载作用下，主梁和基础承载能力能够满足现行桥梁检测、设计规范的要求，可以继续使用。但鉴于该桥按原桥规汽车—20、挂车—100设计，设计荷载等级偏低，且通行车辆较多，已出现如下病害:桥面铺装破损严重，沿T梁翼缘板接缝处出现多条严重的纵向开裂，梁底接缝处存在较为明显的泛白、漏水现象;上部结构横隔梁钢板搭接出现普遍的断裂破坏，导致横向联系严重削弱;主梁跨中区域已出现规则的弯曲裂缝;主梁支点到L/4区域存在肉眼可视的剪切裂缝，裂缝宽度达到 0.1 mm。

7 结语

本次荷载试验的目的在于结合桥梁调查、检测与检算结果，合理评定永清大桥桥梁结构在公路—Ⅰ级荷载等级下的实际工作状况、承载能力和使用条件，分析病害成因，提出建议，具体措施如下:由于主梁梁肋的裂缝高度较高，主梁支点处出现了剪切裂缝，并且比较严重。所以建议对支点到L/4区域内采取抗弯和抗剪加固工程。同时由于横隔梁连接处部位大量断裂，破损严重，所以应该对横隔梁选用粘贴高强材料的方法进行加固补强。