靜動載試驗在舊橋加固上的應用

蒿景輝 仲 崗

（1.封丘縣農村公路管理所，河南 封丘 453300；2.新鄉市農村公路管理處 河南 新鄉 453000）

舊橋加固的目的，就是合理的對橋梁前期關鍵部位的病害進行處理，以達到橋梁的設計荷載，從而以良好的狀態進行工作。可以將橋梁的靜動載試驗運用到舊橋加固項目上，來檢驗該橋梁的承載能力。橋梁荷載試驗是對橋梁結構進行直接加載測試的一項科學試驗工作，其目的是通過荷載試驗，了解結構在荷載作用下的實際工作狀態，綜合分析、判斷橋梁結構的安全承載能力和使用條件。橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗。將加固后的橋梁進行荷載試驗得到的數據與橋梁建模數據進行對比分析，可以看出橋梁結構的承載能力和理論值的差別，從而對橋梁加固的效果進行總體性的評價。

隨著我國經濟發展，公路上存在了大量的危舊橋梁，不能夠適應日趨繁重的交通，成熟的橋梁檢測手段可以及時發現危舊橋梁的技術狀況，并提出加固方案，對關鍵部位進行加固處理，提高舊橋的服役年限。在舊橋加固前，對橋梁的檢測是至關重要的。由于橋梁的特珠性，只能采取非破壞性試驗，通常利用靜載試驗和動載試驗對橋梁的性能進行測試。

1 橋梁靜載試驗

靜載試驗是指將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，測試結構的靜應變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態和使用能力。

橋梁靜載試驗順利進行的前提是橋梁結構的考察和試驗準備。這些工作包括技術資料的收集、橋梁現狀檢查、理論計算、試驗方案制訂、現場準備等一系列工作。加載試驗與觀測是整個檢測工作的中心環節，內容是在各項準備工作就緒的基礎上，按照制定的試驗方案與程序，利用適宜的加載設備進行加載，運用測試儀器對結構受載后的各項指標如撓度、應變、裂縫寬度進行觀測和記錄。分析總結階段是對原始測試資料進行綜合分析的過程，原始測試資料包括大量的觀測數據、文字記載和圖片等，經過分析處理后，對檢測結果做出科學的判斷與評價。

1.1 準備工作

在荷載試驗正式進行之前應做好準備工作，對多孔橋跨且跨徑相同的橋梁，可以從中選擇1至3孔具有代表性的橋孔進行加載試驗。選擇該孔時應考慮以下因素：首先要選擇計算受力最不利的橋孔，其次要選擇缺陷病害較多的橋孔，最后要選擇便于布置測點和實施加載的橋孔。橋墩的選擇同橋孔的選擇程序基本相同。然后是腳手架和測試支架的搭設，腳手架要保證檢測人員的安全及操作方便，而測試支架則主要為安裝儀表做準備，使得儀器讀數準確，且不受外界影響。還應該對加載位置進行放樣，以便于加載試驗的順利進行，如果加載工況較多，則要預先放樣，標出不同加載工況時的荷載位置。

1.2 加載方案的確定

試驗工況的選擇應反映橋梁結構最不利受力狀態，一般參照截面內力影響線進行，確定兩三個主要的荷載工況。例如，簡支梁試驗荷載工況，主要工況為跨中最大正彎距工況，附加工況為L/4截面最大正彎距工況、支點最大剪力工況、橋墩最大豎向反力工況；連續梁橋試驗荷載工況，主要工況為主跨支點最大負彎矩工況、主跨跨中最大正彎距工況，附加工況為邊跨最大正彎距工況、主跨橋墩最大豎向反力工況、主跨支點最大剪力工況；無鉸拱試驗荷載工況，主要工況為拱頂最大正彎矩工況、拱腳最大負彎矩工況，附加工況為拱腳最大水平推力工況、L/4截面最大正彎矩和最大負彎矩工況；L/4截面正負撓度絕對值之和最大工況。

試驗荷載的確定。由于實際采用的試驗荷載與控制荷載有差別，為了保證靜載試驗效果，在選擇試驗荷載的大小和加載位置時采用靜載試驗效率進行控制，按控制截面的最不利工作條件布置荷載，使控制截面達到最大試驗效率。一般的靜載試驗，荷載效率為0.8～1.05。

1.3 測點布置

主要測點布置不宜于過多，一般而言，主要測點的布置應能夠控制結構的最大應力（或應變）和最大撓度。一般常見橋型的主要測點布置為：簡支梁橋為跨中撓度、支點沉降、跨中截面應變；連續梁橋為跨中撓度、支點沉降、跨中和支點截面應變；拱橋為跨中與L/4處撓度、拱頂、L/4和拱腳截面應變。

1.4 理論分析

橋梁靜載試驗方案確定后，應該對橋梁進行理論分析與計算，理論分析計算采用Midas Civil6.11或者采用ANSYS10.0來進行建模和數據分析計算。首先按照被檢測的橋梁的結構類型建立模型，按照《公路橋梁設計規范》計算各控制截面最不利活載內力。實驗荷載效應的計算主要以荷載橫向分布理論為基礎，將空間結構的分析轉化為縱橫兩個正交方向的平面問題加以分析，這種分析方法稱為荷載橫向分布法。構建模型后對模型進行加載，求出各加載工況下的理論計算應變值和撓度值。為對比實測數據做好準備。

1.5 試驗過程

按照試驗方案針對不同工況對橋梁加載，按照要求對租用試驗車輛過磅，按照荷載試驗效率所確定的試驗荷載進行加載，對試驗孔按前述的應變和撓度測點布置方式進行放樣，在梁底布設應變片，布應變片時要將各測點位置實施打磨找平并清洗干凈，然后再粘貼應變片，同時布設撓度測點，根據應變絲電阻的變化來檢測出應變量，布設測試儀器及傳感器連接導線，聯機調試儀器，進行各種工況加載，使用靜態測試儀進行靜態數據的采集。

1.6 數據分析對比

將橋梁結構某測試點實測值與計算值相比，得出校驗系數 ，校驗系數 是評定結構工作狀況、確定橋梁承載能力的一個重要指標。一般要求 值不大于1，值越小說明結構的安全儲備越大，一般正常取值見表1。

表1 橋梁校驗數常值表

由于理論的應變一般按線性關系計算，所以如測點實測彈性應變與理論計算值成正比，其關系曲線接近于直線，說明結構處于良好的彈性工作狀況。測點在控制荷載工況作用下的相對殘余應變越小說明結構越接近彈性工作狀況。

2 橋梁動載試驗

橋梁動載試驗是研究橋梁的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結構的聯合振動特性，它的基本任務是測定動荷載和結構的動力特性，并測定結構在動荷載作用下的強迫振動的響應。橋梁結構的動態性能測定一般可分為結構自振特性和結構在動力荷載作用下的受迫振動響應。橋梁自振特性主要指標為橋梁豎向固有振動頻率、振型和臨界阻尼比；受迫振動主要指標為動應變、動位移、行車沖擊系數、跳車沖擊系數以及車輛制動作用下的動應變時程。

橋梁結構需要承受車輛、人群、風力和地震等動荷載作用，在動荷載作用下的受力分析是橋梁結構分析的一項重要任務。其振動問題曩因素復雜，需要理論分析和實測相結合的方式來綜合考慮。結構振動問題所考慮的三個關鍵因素是振源、結構、響應，因此，橋梁的動載試驗及其作用可以劃分為3類基本問題：（1）測定橋梁在動載作用下的響應（動位移、動應力等）；（2）測定橋梁結構的動力特性（自振頻率、阻尼比、振型等）；（3）測定橋梁荷載的動力特性（數值、方向、頻率等）。橋梁動載試驗以其工作量小、費用低、試驗時間短、操作方便快捷的特點發展起來，并在成橋試驗、舊橋評估、橋梁健康監測與狀態評估、模擬地震試驗、橋上荷載識別、抗風試驗與疲勞試驗中發揮了必不可少的作用。因此，公路舊橋加固采用這種方式可以迅速的評估橋梁狀況。橋梁結構動力響應的試驗測定主要是測定結構在動力荷載作用下的響應，包括自振頻率、沖擊系數等，一般利用汽車以不同速度通過橋跨所引起的振動來進行測定。測定橋跨結構自振特性時應在結構相互連接的各部分布置測點，測定荷載本身的動力特性時，主要是測定引起橋梁振動的作用力或振源特性，動力荷載大小可通過安裝在動力荷載設備底架連接部分的荷重傳感器直接量測記錄。

動載試驗的組織程序同靜載試驗類似，對于橋梁的自振頻率、阻尼比和沖擊系數等參數，使用MIDAS計算出理論值，和試驗值相比較，可以得出該橋動載性能好壞的結論。

目前國際上廣泛采用的以結構自振頻率或結構位移模態為基礎的損傷識別指標體系不夠理想，橋梁作為一個由多種材料，不同結構組合而成的大型綜合系統，各成分材料不一，應力也不同，剛度、動力特性相差較大，簡單地用某種單一的動力特性變化指標去評估整體結構的狀態，難以取得預期的效果。同時橋梁動載試驗對橋梁結構的功能，如承載力、可靠性、變形等進行定性分析比較容易，但進行定量評估則比較困難。另外在橋梁的與監測與狀態評估中，也存在一些問題，如（1）結構與環境中的不確定性和非結構因素的影響；（2）測量信息不完備；（3）測量精度不足所導致的誤差：（4）測量信號的噪聲所產生的影響；（5）測量信號對結構局部損傷不敏感。以上這些都是動載試驗的局限性。

但隨著計算機技術的進步，近年來，國內外對橋梁動載試驗方法從理論到實際進行了大量的運用，取得了很大的進步。隨著大量的動載試驗的數據和經驗的積累，可建立有針對性的專家系統，采用專家系統的方法，橋梁動載試驗可以更快更精確地得出判斷果。

3 結語

橋梁結構荷載試驗就是對橋梁結構進行直接加載測試的科學試驗，目的是通過荷載試驗，了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態，從而判斷橋梁結構的安全承載能力及評價橋梁的營運質量，檢驗橋梁結構的設計與施工質量，確定舊橋結構的實際承載能力，為制定橋梁加固或改建技術方案提供依據。本文通過靜動載試驗在舊橋加固上的應用，檢測橋梁整體的力學狀況，探討了荷載試驗的工作方法和步驟，并對試驗過程進行了理論分析，運用試驗結果來評價舊橋加固后的承載力，以此判斷橋梁結構的加固效果。

［1］徐岳，武同樂，張勁泉.橋梁加固后評價方法研究[J].公路交通學報,2006.

［2］王國鼎，袁海慶，陳開利.橋梁檢測與加固[M].北京：人民交通出版社,2003.

［3］JTG F80/1－2004 公路工程質量檢驗評定標準[S].