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桥梁单梁（板）静载试验分析一、序言随着近年来公路建设的发展，各种桥梁的建设也日渐增加，而因造价、工期、施工难度等各种因素的影响，大部分桥梁预制、吊装的组合梁（板）桥，而在架设梁（板）前对单梁（板）及在成桥后对全桥做静载试验检测设计是否安全、施工质量是否满足规范及设计要求的重要手段，在此，本文仅对架设前单梁（板）静载试验的程序及主要的注意事项作一简单分析，并以《河南省平顶山市洛界公路王三庄桥20M先张法预应力钢铰线低高度箱梁静载试验报告》为例，并援以一些其它桥梁的单梁静载试验加以比照。示例中的桥梁为低高度预应力组合简支箱梁，采用先张法钢绞线，跨径20M，计算跨径19.5M，设计梁高95CM，每片梁宽244CM，主梁间用现浇湿接缝连系。二、试验前的理论分析在试验前应按照设计图纸对桥梁进行结构分析，以便确定试验方法、荷载大小、测点布置等。（一）各梁（板）横向分布系数的计算首先，应依照设计图纸计算出各主梁（板）的截面几荷特征值如面积、截面抗弯（抗扭）惯矩、主梁每延米抗扭惯矩，中性轴位置等。（采用毛截面或换算截面均可，依据以往经验，由二者计算出的横向分布系数的差异很小，可不予考虑。）然后，根据梁（板）间的组合情况选用横向分布系数的计算方法，如示例中的桥梁可采用G－M法、刚性横梁法或二者同时采用，取用最不利的情况，而如果是空心板桥则应采用铰接板法。在横向分布系数得出后，综合考虑预制梁的情况（中、边梁的预制宽度，截面几何特征值等），取用最大的横向分布系数，留待下一步分析时采用。（二）、计算二期恒载＋活荷载的各项内力由于试验时，预制梁已成形且钢束张拉完毕，即一期恒载已加载完成，所以计算的各项内力应是二期恒载＋活载形成的，其中包括主梁（板）间的湿接缝（铰缝）、桥面系、活载、冲击荷载、温度力、混凝土收缩徐变等，且各项荷载间应进行荷载组合，选取最不利组合计算其控制截面的弯矩、剪力等各项内力，但此内力值为全桥建成后主梁（板）全截面承受的二期恒载＋活载内力值，而在某些情况下，预制梁比成桥时的截面尺寸要小（如示例中的主梁间有湿接缝），截面几何特征值也要小一些，因此，应将内力值按照各相关公式中预制梁与成桥后主梁全截面的截面几何特征值的关系进行修正，然后取用修正值做试验的基础数据。三、试验前的准备工作（一）试验梁的选择：首先，应根据前一步计算结果，综合比较中、边梁（板）的内力及换算截面几何特征值，初步确定试验的主梁（板）的类别。其次，应着眼于成桥后运营的安全，会同业主、设计、监理、施工有关方面，依据施工情况及有关资料，选用施工质量最差，成桥后最不安全的梁（板）做为试验梁（板）。（二）、试验方案依据前面理论分析中得出的预制梁（板）的控制内力值，综合考虑试验现场的实际情况及施工单位的实际配合能力，本着安全、经济、高效的原则，选用试验中的加载（卸载）方案、测点布置、试验步骤、试验临时支座设置。（1）加载（卸载）方案：可采用贝雷梁、横系梁加载，也可直接用龙门架吊装另一片预制梁将其一端通过油压千斤顶架设在试验架上，如荷载仍不足，可往上加载梁堆放重物。相比较而言，前两者造价较高，准备时间较长，后者经济性好，准备时间较短而常被采用，示例中采用横梁加载，在江西省南昌县武谢大桥单梁静载试验中即采用最后一种方法。（2）加载位置及加载力的大小一般可采用一个（或两个）大吨位油压千斤顶（可量程）进行加载，千斤顶下一般垫有枕木或砼块。一但加载的位置确定，即可由控制内力计算加载力的大小，示例中试验采用两个油压千斤顶均距离跨中1.5M处加载。如下图：从安全角度考虑，且为使试验数据与理论值的比较更为科学合理，试验荷载应逐级加载。另外由于成桥后可能出现超载现象，在试验中应加载超出控制内力得出的荷载20％为宜（示例中即计划如此，因故示实施），分级可按20％、15％、10％的增量逐步设置，卸载时也应逐级减小，但分级可相应减少。（3）各截面在试验荷载下应力、应度、挠度、梁端角位移的计算。在确定试验的加载方案后，即可按加载步骤计算出各级荷载下各控制截面的各项内力，然后由内力及换算截面几何特征值等计算出各截面的上下缘应力、挠度等，再可由应力应变间的关系推算各点理论应变值（一般近似认为梁（板）的某个截面为均质弹性变形，因此有了截面上、下缘应变值及中性轴位置等可推算出该截面各点应变值）。如示例中的桥梁在未开裂的预应力混凝土构件中各截面的应力计算可由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第5.2.15条计算，公式如下：σ=N/A0±M×y/I0(5.2.15-1)式中：N、M—计算的纵向力和弯矩A0、I0—构件换算截面面积和惯性矩y—应力计算点到中性轴的距离由于试验中预应力施加的纵向力已加载完毕，试验梁无纵向力，则得：σ=±M×y/I0而由下列公式可计算出各点的混凝土应变：ε=σ/E式中：E—混凝土弹性模量挠度的计算公式主要参考材料力学中的相应公式：f=ML/12EI0式中各参数同上。主拉应力的最不利斜截面（一般在支点附近）可由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第5.1.11条进行计算，在计算出该截面位置及相应的弯矩、剪力等内力后可计算出该截面的理论值。有了理论挠度值以后，可由几何关系推算梁端角位移。（4）测点位置及临时支座的设置①应变测点：一般1/4跨、跨中、3/4跨截面的控制内力为弯矩，而支点附近处为主拉应力，因此，应变测点在以上各截面上的位置和布置方式有所不同，前者应测出竖直截面上各点应变，所以应沿竖直方向在梁（板）两侧均匀布置五个（或五个以上）应变测点，后者则应在沿主拉应力最不利截面垂直于截面布设3~5个应变测点，以检测该斜截面的主拉应力是否在容许范围内。②挠度测点：在检测各控制截面的挠度时，可在截面下缘设置1－2个挠度测点，由于试验过程中支点处也会有沉降，因此在支点下缘应同样设置沉降测点。③梁端角位移可沿梁端面在一定距离上、下布置两个测点。示例中以上各测点布置如下页图：由上图可知，示例中支点处应变测点的布置无法测出支点附近斜截面的主拉应力值，其它测点的布置则较为合理。④试验中临时支座的设置：临时支座应在支座中心线处、考虑到试验中荷载较大，应采用强度较高的材料制成（如砼块），或直接放置设计支座，且临时支座顶面应水平、清洁。（5）试验器材的选用试验器材应尽量采用较成熟可靠、采购方便或已有的设备。①梁（板）各控制截面应变值的检测现多采用应变片贴附在测点处，用应变计读数仪采集数据。②各截面挠度、梁端角位移的测定可用千分表、位移计等。③荷载加载力的大小可由有量程的油压千斤顶控制。④裂缝的观测用有刻度的放大镜，并记录其裂缝的产生、发展情况。以上仪器中，应变片的应变系数、位移计、油压千斤顶的油压表，应在试验前在室内重新标定。四、试验中的注意事项及数据采集（一）试验中应将安全放在第一位，应充分考虑到各种危险可能性，必须使试验在确保参与人员安全的情况下进行，试验荷载必须逐级逐渐递增，禁止突然增加较大荷载，卸载也是如此。（二）试验中出现以下情况时应及时中止试验①试验梁（板）有砼破碎、剥落的情况。②试验梁（板）有裂缝超标，或裂缝产生后在荷载未增加的情况下不断增大。③试验梁（板）的挠度值超标且在荷载未增加的情况下不断增大。④测试仪器出现异常且无法修理。⑤试验梁（板）的支座、基础出现破坏和异常沉降。⑥发生其它威胁人员安全或影响试验正常进行的情况。（三）试验数据的采集在试验中，为保证试验数据的可靠，每次增加荷载后，必须持荷5－10分钟后方可读数，且应每隔3－5分钟读数一次，一般当数据增量小于上一次增量的10％时，即可认为数据稳定可靠。数据记录应采用仪器记录与人工记录同步进行、相互校核。五、试验后数据分类、汇总及与理论值的比较（一）试验数据的分类、汇总试验中各荷载阶段各测点记录了大量的试验数据，必须科学、合理的进行分类、汇总，以便下一步分析时使用。①应变数据首先，应将各应变测值按各自应变计试验前标定的系数得出砼应变值，然后，将各控制截面在每一荷阶段的各点应变绘制成图。为此可在图上直观的判断截面是否在各荷载阶段都处于弹性变形状态及中性轴的变化情况。其次，将各荷载阶段在梁（板）某一水平面上混凝土应变绘制成图，判断其变化是否与弯矩图的变化相适应（示例报告未做此类分析）。最后，可将一些控制点（如各控制截面的上、下缘）在各荷载阶段的应变汇总，分析该点混凝土应变是否与荷载变化相适应（示例报告未做此类分析）。②挠度数据首先，应将1/4跨、跨中、3/4跨等处各荷载阶段的沉降值减去两支点处相应荷载下的平均沉降值，得出以上各截面每阶段的挠度值。其次，汇总各截面在每个荷载阶段时的挠度值，判断挠度变化是否与荷载的变化相适应。再将各荷载阶段的挠度值汇总，判断该阶段梁（板）整体挠度的分布是否均匀。③端角位移由梁端上下测点位移差除以测点距离即可得出。④各应变测点的应力可由应力、应变间的关系得出。（二）试验数据与理论值的比较、分析在各试验数据整理、分类、汇总完毕后，应分别与相应的理论数据汇总成表或绘制成图，进行相互比较，如果各测点试验数据小于或等于理论值，则可说明各测点的应力、应变、挠度等满足要求。如果有个别数据超出，则应分析可能的原因及数据是否可靠，在分析时，不仅应比较试验数据与理论值的差异是否在容许范围内，还应分析是否测试仪器出现异常。如在某个荷载阶段试验数据大部分超出理论值则说明施工质量未满规范及设计的有关要求。另外，还应比较试验数据推算值（如中性轴位置、应力等）与理论值之间的差异，并分析是否在容许范围内。在报告中，宜将各种数据及其相对应的理论值绘制成图，如此不仅可判断各测点应力、应变、挠度、梁端角位移是否超出理论值，且可很直观的判断该试验梁（板）在各荷载阶段的应力、应变、挠度是否均匀，梁（板）是否处于弹性工作状态及在荷载变化时梁（板）的整体工作状态的变化是否与荷载变化相适应。（三）试验现场、施工情况对试验结果的影响及修正试验时，由于试验梁的砼龄期、配合比、梁（板）预制尺寸的偏差等因素的影响，对试验数据及理论值均应进行修正。首先，由于预制梁（板）时各部位尺寸存在一定偏差，应修正各截面几何特征值，且因砼龄期、配合比等因素的影响，也应修正砼的弹性模量，然后按上述值修正应力、应变、挠度的理论值。其次，砼弹性模量的修正将直接导致由试验数据推算出的应力值必须随之修正。在各个数据修正完毕后，重新比较试验数据与理论值的差异及其是否超出容许范围。另外由于梁（板）预制尺寸偏差及试验加载不可能达到理想状态，且试验仪器也总会存在误差，会导致荷载位置、荷载大小，测点位置都存在一定偏差，测试数据本身出现不对称、不均匀现象，试验报告中也应注意分析误差是否会影响到整个试验数据的判断。（四）试验数据的取舍在试验数据中偶而会出现个别数据突然不正常的偏大或偏小，此时应分析其产生的可能原因及对试验整体数据的影响以决定对其的取舍。当数据偏大时，首先应分析仪器工作是否正常，其次，如果其它相关数据均小于理论值，则可弃用该数据。当数据偏小时，则往往是仪器工作不正常导致，如应变片与砼的粘附有松动，干分表（位移计）与梁体的接触有脱落或其支座受到意外干扰，可弃用该数据。六、试验报告中的结论在经综合分析试验数据本身及其与理论值的差异，并分析试验中梁（板）的应力、应变、挠度等，判断试验梁（板）在各个荷载阶段的工作状态及其变化，裂缝的产生及其发展情况，即可得如下结论：被试验梁满足设计荷载下的使用要求，可在本桥中使用，施工质量基本满足规范及设计的有关要求。七、示例中试验及其报告的不足之处（一）未进行全桥的结构分析，如横向分布系数的计算，各截面控制内力、应力、应变、挠度的计算，支点附近斜截面主拉应力的计算等，而只是简单的依据设计单位提供的一个跨中弯矩作为试验的控制内力，这样使该试验的理论依据不足，对试验结论的科学性、严谨性造成影响。（二）试验中的控制内力未按预制梁截面与成桥后主梁全截面的几何特征值在相关公式中的关系进行修正。（三）试验中支点处应变计的布置存在问题，应沿主拉应力最不利斜截面并垂直与截面布置，而非沿支点的竖直截面45º斜向布置，这样造成试验中无主拉应力的测试数据，而有些