城市中小跨徑橋梁靜載試驗撓度測量方法及效率研究

郭 晗，高 新

（北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司，北京 100037）

0 引言

隨著經濟發展，我國公路建設進入大發展階段，我國依靠自己的技術和力量，建成了多座技術含量高、施工難度大的橋梁，標志著我國已躋身于世界先進行列，截至2018年，我國公路總里程已達477萬km，高速公路總里程超過了14萬km，我國現有各類橋梁約80萬座，每年開工建設的橋梁約3萬座。這些大量新建橋梁，檢驗其施工質量最有效、最直接的辦法是進行荷載試驗。同時20世紀70年代以前修建的大量低標準橋梁已經達到或接近設計基準期，在各種不利因素的長期影響下，橋梁結構性能可能發生了變化，有些橋梁已經出現不同程度的損傷，其承載能力已大大降低甚至逐漸演變成危橋，這些服役幾十年的橋梁能否繼續使用已成為管理決策部門關注的一件大事，不斷增加的交通荷載加劇了橋梁結構的負擔，眾多橋梁亟待得到結構性能評定，而橋梁荷載試驗是評定橋梁結構性能的重要方法。

橋梁的撓度是橋梁安全狀況評價的主要參數，它直接反映橋梁結構的豎向整體剛度、承載能力和抵御地震等動荷載的能力，從撓度動態數值分析中可以得出荷載的沖擊系數和結構內力分布狀態，判斷橋梁的薄弱部位及結構的整體性，在橋梁鑒定、危橋改造和新橋驗收等方面都需要準確測量橋梁的撓度值。中小跨徑橋梁剛度大、荷載小，活荷載作用下的撓度小，所以對撓度測量的精度要求也高，雖然工程技術人員對以上儀器和方法的特點大都有定性的認識，但到目前為止，對各種水準測量方法定量的誤差分析還較少。因此本文通過分析各種撓度測量的優缺點，并以北京市房山生產橋為例，繪制不同方法測得撓度的各種關系曲線、估算其測量精度，以此選擇最經濟、可靠的試驗方法。

1 撓度測量方法優缺點

目前橋梁荷載試驗中測量撓度的儀器主要分為機械式和光電式。機械式主要有百分表、千分表、撓度計等；電子式有電阻式位移計和應變式位移計；光學儀器主要是水準儀和全站儀。

1）機械式儀表安裝方便、測量精度高、對環境適應性強、工作直觀可靠、可重復使用，但靈敏度相對較低，使用時需搭設支架，不便于遠距離操控，并難以自動量測和記錄。

2）連通管法操作簡單、數據可靠、無累積誤差、受環境影響小、測量速度快，可與自動化采集系統連接實現數據自動采集，但精度較低且對測量人員的操作水平要求較高。

3）電測位移計精度高、數據采集方便，與自動化采集系統連接可實現自動采集，采集時間短，但橋下也需搭設支架，具有一定的現場局限性。

4）精密水準儀原理簡單、精度較高，不需要搭設支架，但測試距離有限，且對現場通視條件和觀測者的業務水平要求較高。精密水準儀測量分為無基點水準法和有基點水準法，前者在測量時不需要參考點，效率較高。

5）全站儀自動化程度高、測距遠、測量時間短，不需要搭設支架，但是精度較低，僅適用于大跨徑橋梁。

2 案例分析

2.1 工程概況

北京市房山區生產橋橋梁全長96.06m，寬6.2m。上部結構為3跨后張法預應力混凝土簡支T梁，跨徑組合為25.0m＋40.0m＋25.0m，單跨橫向4片梁，預制中梁寬1.6m，邊梁寬1.4m。基礎為擴大基礎，橋臺處采用GQF-C-60型伸縮縫，全橋共2道；板式橡膠支座。

橋梁設計標準:[1]汽車荷載:公路-II級；[2]地震烈度為Ⅷ度，地震峰值加速度為0.20g。

2.2 試驗設計

本次試驗采用等精度觀測，保證同樣技術的人員采用同等精度的儀器，并在同等外界環境下觀測，最大限度保證測量條件一致性。

由于全站儀的測量精度較低，對于中小跨徑橋梁撓度測量一般不能滿足精度要求，本次采用精密水準儀和百分表2種方式對橋梁撓度進行觀測，其中水準觀測包括無基點及有基點觀測2種方法，由于百分表測量精度較高，把其測量值作為約定真值，則可估算出2種水準測量的精度。

2.3 撓度測點設置

本次試驗設置與梁底位移傳感器位置一一對應的橋面水準觀測點，進行有基點和無基點水準觀測法測量精度比較（N1對應Q2、N2對應Q4、N3對應Q5、N4對應Q6）。位移傳感器布置在每片梁底的中心位置處；水準觀測點布置在距離人行道邊緣0.1m的橋面位置處，每隔1.6m再布置3個測點，并在梁端各布置1個測點進行支點沉降的修正，測點布置如圖1，2所示。

圖1 橋梁撓度測點橫斷面布置 （單位:cm）

圖2 橋面測點平面布置 （單位:cm）

2.4 撓度測量結果

2.4.1 撓度隨荷載增長的變化關系

由于百分表測量精度較高，本次以百分表的測量值假定為真值，選取控制截面撓度最大測點N1及對應位置處橋面測點Q2的測量數據進行對比，估算出測量精度，判斷有基點觀測和無基點觀測2種方法的測量精度。由本次測量值分析，無基點和有基點水準測量精度分別為±0.116mm和±0.168mm，無基點水準測量精度約為有基點水準測量精度的2倍。撓度實測值和計算值如表1所示。

繪制實測撓度隨試驗荷載增長的線性關系曲線，如圖3所示。由圖3可見，3條測量撓度曲線隨荷載增長的線性相關性較好，其中無基點撓度測量結果與百分表測量值一致性更強。

2.4.2 撓度沿橫向分布

同理假定百分表的測量值為真值，估算沿橫向各測點的測量精度，再次驗證2種水準測量方法的精度情況。采用無基點水準測量時，Q4點被加載車遮擋，不滿足通視條件，無法測量。通過本次試驗測量結果估算，無基準點（計算其余3個測點）和有基準點的精度分別為0.104mm和0.195mm，基本與跨中撓度隨加載增長結果一致。數據如表2所示。

各測試方法的撓度橫向分布趨勢與計算值基本一致，無基點水準測量較有基點水準測量與百分表測試結果更接近，無基點水準測量精度更高，但試驗也明確反映出無水準測量對通視條件的要求高。各測試方法撓度沿橫向分布如圖4所示。

表1 各級荷載作用下控制截面撓度實測值和計算值 mm

圖3 各方法控制截面測點撓度隨荷載增長關系曲線

表2 滿載作用下各測點撓度實測值和計算值

圖4 各方法測點撓度沿橫向分布曲線

2.4.3 對比分析

在橋梁跨徑很小的情況下，精密水準測量結果與百分表的測量結果比較吻合，檢測數據均呈一定的規律變換，與理論計算撓度的變化趨勢一致。本次無基點和有基點的水準測量值與約定真值（百分表測量值）的偏差均未超過±0.250mm，無基點水準測量精度約為有基點水準測量精度的2倍。在有條件的情況下使用無基點水準測量可提高撓度測量精度。

3 結語

中小跨徑橋梁跨徑小、剛度大、撓度小，所以對儀器精度要求高。全站儀和一些自動化測試儀器雖然自動化程度高，但精度很難達到要求，在中小跨徑橋梁撓度測量中不適用。百分表、撓度計等機械儀表精度高，但環境穩定性較差，需要搭設穩定支架，并且不能自動傳輸數據，但在測試時間充足且能搭設穩定支架的情況下，采用機械儀表可較好地保證測量精度。電測位移計較機械儀表更穩定、可實現數據自動采集，但仍需橋下搭設穩定的支架，在條件允許的情況下，可優先選用此方法。水準測量的精度雖然低于前述儀表，但也能滿足測量要求，其中無基點測量法不需要靜止參考點，可大大提高測量效率，而且測量精度也比有基點測量法高，但要求通視條件好。各種撓度測量方法各有優缺點，且有不同的適用條件，因此在工程應用中，需根據實際橋型特點綜合考慮各種因素，選用適合的網點布設和觀測方法，以達到事半功倍的效果。