靜動力荷載試驗技術在公路預制梁檢測中的應用研究

張世明

中鐵一局集團第五工程有限公司 陜西 寶雞 721000

引言

目前國內各行業發展欣欣向榮，在為社會帶來經濟效益的同時，也帶來了挑戰，在交通運輸方面顯得尤為明顯[1]。例如，物流行業的高速發展，為交通運輸帶來了巨大的壓力。有些公路在多年服役過程中，受到來自車輛和自然因素的影響，路面和主體都存在不同程度的損壞，公路的承載力、剛度等指標下滑。加之一些地區對于公路的維修和養護工作不到位，導致很多公路段的交通都受到嚴重影響，需要進行翻修。對于翻修或新建的公路來講，預制梁的檢測都顯得尤為重要。預制梁是在工廠中按照標準進行預制，之后運輸至施工現場安裝施工的梁[2]。作為公路中的重要結構之一，預制梁性能的優劣直接影響著公路重要指標是否符合投用標準。因此需要對預制梁進行檢測，避免使用性能不符合標準的預制梁進行施工。靜動力荷載試驗技術包括兩個方面，分別為靜力荷載試驗與動力荷載試驗，能夠比較全面地評估橋梁的性能。基于此，本文提出靜動力荷載試驗技術在公路預制梁檢測中的應用，為公路預制梁的檢測提供有效方法。

1 靜動力荷載試驗技術概述

靜動力荷載試驗技術可以分成靜載試驗和動載試驗兩個部分[3]。該試驗的目的，是檢測公路橋梁是否符合投用標準，承載力等重要指標是否滿足標準要求。靜力載荷試驗是利用靜止的荷載作用，模擬橋梁基礎受靜荷載的條件。綜合檢測是從多個角度、多個參數、從公路整體及各部分的性能入手，進行全面檢測以發現問題的所在。動力荷載試驗與靜力荷載試驗的測試方向存在區別，動力荷載試驗中，引起公路橋梁產生振動的振源不是固定不變的，時間的改變也會引起振源的改變。例如不同時間內經過公路的車輛類型不同，振源也不同，所產生的振動存在差別[4]。在同一場景下，動力效應在通常情況下比靜力效應更大，相應地，動力效應對橋梁的影響更大，橋梁會在較小的動力荷載作用下，出現內在結構較為嚴重的損壞，甚至發生垮塌等事故。

2 基于靜動力荷載試驗技術的公路預制梁檢測

2.1 靜力荷載效應計算

靜力荷載試驗主要是針對預制梁的變形與荷載之間的關系進行測試，在測試點上，受到靜力荷載作用的預制梁結構，通常是利用控制截面的內力或者應變進行等效處理[5]。在預制梁靜載試驗時，采用開裂彎矩作為控制彎矩。第一種情況是內力等效，不考慮施工過程，以成橋狀態為建模背景，鉸縫、現澆層、護欄、鋪裝等二期恒載和車道荷載作用于預制梁結構上；第二種情況是應力等效，考慮施工過程，分別以預制狀態和成橋狀態為背景。在確定靜力荷載試驗中的荷載大小與加載位置時，試驗效率如公式（1）所示。

公式（1）中，Sat表示：在試驗荷載下，預制梁測試點的變位或內力計算值，S表示：在設計標準荷載下，預制梁測試點的變位或內力計算值，需要注意的是，二者在計算時，均不計沖擊作用；μ表示：沖擊系數。ηq值應大于等于0.95，小于等于1.05。

2.2 動力荷載參數調整

設定活載動力增大系數為1+μ，需利用公式（2）進行計算。

公式（2）中，Smax表示：在動荷載下，測試點位置預制梁結構撓度或應變的最大值；Smean表示：動荷載對應的靜荷載下，測試點位置預制梁結構撓度或應變的最大值。通過動力荷載試驗，可以獲得大量預制梁結構中有關振動問題的各種振動值。為了方便后續利用實測數據進行分析評價，需要對振動模態進行預處理。歸納出各個變量與時間的關系函數，通常利用對數衰減率δ和阻尼比ζ來計算，按照振動基本理論，對數衰減率可以表示為：

由于預制梁結構是連續體，在分析絕大多數預制梁時，第一固有頻率起到關鍵作用。結構振型的測量主要有兩種方式：其一是安放傳感器，如果信號傳感器微弱，還需要加設功率相同的放大器；其二是只安放兩個傳感器，其中一個安放在支點部位，作為基準傳感器，另外一個傳感器在預制梁結構上依照要求任意移動，測得各個測點的振動曲線。

2.3 預制梁檢測

試驗前分別檢查試驗預制梁，并根據計算分析及現場條件選取測試點。正式試驗前，做好準備工作，對各個測試點上的應變片等裝置進行檢查，保證電路聯通，工作狀態正常。汽車到達測試點后，車輛熄火停留至少五分鐘，記錄數據時應注意，當其穩定后進行。之后進行卸載，間隔超過十分鐘，再進行重復加載。各工況均采用分級加載，每級穩定時間通常在五到十分鐘左右，靜力荷載持續時間，由變位達到穩定的時間來決定。對比預制梁實測得出的頻率、模態數據與預計值，對其剛度進行判斷，從而推定預制梁剛度情況。跳車試驗采用荷載車輛以30km/h速度通過橋梁，通過動撓度數據進行分析，計算橋梁阻尼比，從而判斷橋梁承載能力。

3 檢測試驗

（1）試驗準備。根據試驗方案，租用符合標準的試驗車輛。在測試點上粘貼應變片，粘貼時應注意，需先將要粘貼的位置進行打磨找平，并確保沒有灰塵存在，以免影響測試結果。選取同一批次的預制梁，將出廠標準值作為真值，進行檢測試驗。將本文提出的方法記作方法A，將文獻[2]與[5]提出的方法分別記作方法B與方法C，選取預制梁應力與阻尼比的平均相對誤差值作為評價指標。

（2）預制梁應力平均相對誤差結果與分析。利用三種方法進行檢測，對所得的應力檢測結果進行計算后得到的平均相對誤差對比結果如下描述。在1號測試點，方法A檢測應力值的平均相對誤差為5.34%，相比于方法B與方法C，誤差平均值分別低了5.33、11.49；在3號測試點，三種方法應力值的檢測誤差最大，表明該點應力檢測難度較大。此時方法A的測應力值的平均相對誤差為-6.75%，相比于方法B與方法C，誤差平均值分別低了7.01、10.64。從總體上看，方法A 應力檢測誤差值更小。

（3）預制梁阻尼比平均相對誤差結果與分析。利用三種方法進行檢測，對所得的阻尼比測結果進行計算后得到的數據如表1所示。

由表1可知，在2號測試點，方法A檢測阻尼比值的平均相對誤差為-3.97%，相比于方法B與方法C，誤差平均值分別低了8.67、12.25；在1號測試點，三種方法阻尼比值的檢測誤差最大，表明該點阻尼比檢測難度較大，此時方法A檢測阻尼比值的平均相對誤差為6.25%，相比于方法B與方法C，誤差平均值分別低了8.08、10.79。從總體上看，方法A阻尼比檢測誤差值更小。

表1 三種檢測方法阻尼比平均相對誤差對比

4 結束語

本文針對公路預制梁檢測中存在的問題，提出了基于靜動力荷載試驗技術的公路預制梁檢測方法，提高了公路預制梁檢測中應力與阻尼比檢測的精度。今后將對公路預制梁檢測做更深入的研究，以期為其發展提供基礎依據。