某橋梁荷載試驗測試數據的誤差分析

洪輝

【摘 要】檢測數據是推定橋梁工作狀態的科學依據，數據中的誤差不可避免地存在，影響數據的科學性。文章簡述了橋梁荷載試驗中數據誤差的概念、分類及常見誤差，結合工程實例，分析試驗數據常見的誤差。

【關鍵詞】荷載試驗;數據;誤差;分析

【中圖分類號】U446.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）03-0115-03

0 前言

橋梁荷載試驗是橋梁結構工作狀態最直接的試驗方法。將試驗荷載作用于橋梁上的指定位置，測試橋梁結構的應變、位移及裂縫等參數，以推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態和實際使用能力。這對于檢驗橋梁設計與施工的質量，判斷橋梁結構的實際承載能力，驗證橋梁結構設計理論和設計方法等有重要意義。

客觀、準確、及時的試驗數據是指導、控制和評定橋梁工作性能的科學依據。然而，試驗數據不可避免地存在誤差，有可能對橋梁工作性能的評定產生某些不利影響。為了使試驗數據更精確、可靠，對數據誤差開展分析、處理工作就顯得尤為重要和必要。

1 誤差的概念及分類

試驗誤差可分為2種類型：一種類型是試驗對象本身具有隨機性，由此導致試驗數據出現波動;另一種類型是試驗過程引入的誤差，也稱為測量誤差。

試驗過程中的測量誤差定義如下[2]：某物理量的實測值x與該物理量的真值xi之間的偏差值δx，即xi=x±δx。總的來看，測量誤差可分為系統誤差、隨機誤差和過失誤差。根據來源，誤差又可分為因儀器儀表不精確產生的儀器誤差，操作不當引起的操作誤差，測試方法本身的方法誤差，溫度、濕度變化等引起的環境誤差，以及偶然事件導致的偶然誤差等。

2 橋梁荷載驗中常見的誤差

2.1 儀器誤差

儀器誤差又稱為工具誤差。橋梁荷載試驗中使用的儀器的精度總是有限的。例如，百分表測桿的往復運動經過百分表內部的齒輪-齒條機構轉換為指針的轉動，而機械運動要求一定的空隙，這一空隙使百分表的數據產生一定程度的誤差。

2.2 操作誤差

在橋梁荷載試驗中，以下幾個方面可能出現操作誤差。{1}由于試驗人員的技術水平和一些主觀因素造成的誤差。例如電阻應變片的粘貼，由于試驗人員技術水平的限制，應變片粘貼的位置可能存在一定程度的偏差，應變片粘貼的質量也可能存在一定程度的缺陷，這都將導致測試數據出現誤差。{2}由于試驗人員的過失或差錯導致的誤差。例如，儀器設備操作錯誤、參數設置錯誤、讀數錯誤、記錄錯誤、計算錯誤等，導致測試數據偏離其真值。{3}試驗中，操作過程不能滿足試驗規程的要求，或者測試儀器儀表的安裝出現偏差等也將導致測試數據出現誤差。

2.3 方法誤差

方法誤差通常是由于不完善的測量方法或數學處理方法所引起的。采用簡化的測量方法或近似的計算方法及忽略某些外界條件的影響等，都可能導致測量的數據偏離真值。例如，某橋梁分為左、右半幅，中間設置2 cm伸縮縫，橋梁結構在中間斷開，但橋面鋪裝按全幅布設。荷載試驗中測量其跨中豎向撓度時，若不考慮左、右幅之間的相互影響，將導致測試數據出現誤差。

2.4 環境誤差

在橋梁荷載試驗中，儀器儀表及橋梁結構所處的環境發生變化，可能導致測試數據存在誤差，且環境因素變化對測試數據的影響難以定量估計。溫度、濕度、振動、氣壓、電磁場等是最常見的環境因素。例如，測試橋梁結構在試驗荷載作用下的靜應變所采用的電阻式應變儀，必須考慮溫度的影響。若未采取合理的溫度補償措施，將導致應變測試數據出現環境誤差，進而影響應力分析。

2.5 偶然誤差

試驗過程中突發的偶然事件也可能引起測試數據的誤差，稱之為偶然誤差。

3 工程實例

3.1 工程概況

某市區內新建一座橫跨某街的下承式系桿拱橋。該橋全長58.0 m，橋面寬度為23 m，即4 m寬的人行道+25 m寬行車道+4 m寬的人行道（示意圖如圖1、圖2所示）。設計荷載等級為城-A級車輛荷載，人群為3.5 kN/m，設計車速為30 km/h。

上部構造為兩榀鋼筋砼下承式拱肋與兩根系梁，之間由17根橫梁連接而成。拱肋的計算跨徑為40.0 m，計算矢高為8.0 m，矢跨比為1/5，“工”字形斷面。在每片拱肋和系梁間設15根吊桿，配冷鑄鐓頭錨，上、下端分別錨于拱肋及橫梁內。橋梁縱向為平坡;車行道橫坡度為1.5%的“人”字坡;人行道橫坡度為1%單向坡。

試驗的目的：通過荷載試驗，再結合其他檢測項目（如外觀檢查、混凝土強度抽檢等），推定該橋的施工質量及其實際承載能力，為該橋的竣工驗收、運營使用及今后橋梁的養護等提供技術依據。

3.2 試驗荷載工況及測點布置

（1）試驗工況：跨中最大正彎矩工況（工況1）和拱腳最大負彎矩工況（工況2）。以8輛總重均為30 t左右的載重汽車作為試驗荷載，分3級進行加載。

（2）采用分辨力為0.01 mm、量程為50 mm的百分表測試橋梁結構在試驗過程中的撓度。分別在左右拱頂、系梁中部和支座設置8個撓度測試點，依次編號為N1、N2……N8。

（3）采用JM3818A無線靜態應變儀測試試驗過程中橋梁主要受力部位的應變值，從而計算出應力值。分別在左右拱頂、拱腳和系梁中部布置20個應變測試點，依次編號為Y1、Y2……Y20。

3.3 測試結果及誤差分析

本文以橋梁在靜載試驗階段各級荷載作用下的部分測試數據為例，分析測試數據的誤差。

3.3.1 撓度測試

測試數據與理論計算值見表1。

（1）各級荷載作用下，橋梁左右拱頂撓度測試結果存在一定差異。據分析，可能是由于施工等原因引起的橋梁左右拱實際受力形式、材料強度等存在一定的差異，導致左右拱頂撓度的測試差異。但不排除試驗數據本身存在一定的誤差，如百分表儀器誤差、人為操作誤差、加載車輛稱重誤差、加載位置放樣誤差等。

（2）工況2各級荷載作用下，拱頂撓度的測試數據與理論計算值的偏差相對較大。結合工程具體情況分析，該工況下汽車荷載作用在橋梁拱腳，根據橋梁結構受力特點可知拱頂的撓度本身很小，此時百分表、人為操作、環境等因素對測試結果的影響就比較大，出現這類情況是完全可能的。

3.3.2 應力測試

測試數據與理論計算值見表2。

（1）試驗測試應變值均低于理論計算值。據分析，可能與橋梁材料實際強度較設計強度大，拱上建筑與拱圈共同作用，支座摩阻力對結構受力有利，以及理論計算偏安全等因素有關。但也可能存在受溫度、濕度等變化引起的環境誤差。據記錄，該次荷載試驗從晚上10點持續至次日凌晨1點，期間溫度、濕度變化較大。而應變測試系統對溫度、濕度的變化非常敏感，溫度、濕度變化達到一定程度就會影響應變儀的靈敏度及測試效果，從而導致測試數據出現誤差。也可能存在將應變轉換成應力的計算過程中的計算誤差，導致測試數據出現一定的誤差。

（2）工況2荷載作用下，Y13測點測試數據出現異常，可能是試驗人員操作差錯導致。分析發現，前后數據均未出現異常情況，可能是試驗人員讀數、記錄、計算等環節錯誤引起的誤差導致數據異常。

4 結語

當前，橋梁檢測工作量不斷增加，檢測質量要求不斷提高。試驗檢測數據的客觀性、準確性是指導、控制、評定橋梁工作性能的科學依據，影響橋梁的安全運營、維修養護等。試驗數據誤差的精確分析和合理處理已成為橋梁檢測工作者的重要研究內容。

參 考 文 獻

[1]潘松林，張紅陽.公路橋梁檢測概述[J].城市道橋與防洪，2003（5）：5-8.

[2]易偉建，張望喜.建筑結構試驗[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]王建華，孫勝江.橋涵工程試驗檢測技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[責任編輯：陳澤琦]