公路橋梁荷載試驗檢測在橋梁養護中的作用分析

楊帥

（山東恒建工程檢測有限公司，山東 濰坊 261057）

1 引言

在交通事業高速度發展進程中，橋梁作為交通樞紐的作用日益顯著，且已成為多數區域經濟發展的紐帶。在橋梁運作過程中，養護作業至關重要，直接影響了橋梁運作的安全平穩性。而公路橋梁荷載試驗檢測是橋梁養護策略制定與實施的依據，可以為橋梁養護作業有針對性、高效率地開展提供幫助。因此，從橋梁養護層面出發，探究公路橋梁荷載試驗檢測手段具有非常重要的意義。

2 公路橋梁荷載試驗檢測在橋梁養護中的作用

2.1 保證橋梁養護作業及時開展

在公路橋梁車輛超限運輸（公路運輸車輛軸載重量及總質量超出限值標準）以及結構所處外界環境惡劣的影響下，公路橋梁老化加速態勢日趨明顯，混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕、混凝土與鋼筋之間結合緊密度下降等問題持續出現，不可避免地會導致公路橋梁結構安全承載力下降[1]。而公路橋梁荷載試驗檢測可以對公路橋梁負荷日趨加重節點進行及時檢測，發現既有公路橋梁的損傷趨勢，及時進行橋梁養護作業，避免公路橋梁出現不可控的結構損壞。

2.2 提高橋梁養護方案制訂的科學性

由于公路橋梁養護人員的養護理論與認識的不足，為養護作業實踐埋下了隱患。而公路橋梁荷載試驗檢測可以以具體的最大動撓度、應變量數據以及直觀發展曲線呈現連續鋼構橋跨中下撓裂縫等質量通病產生的原因，提高縱向預應力筋、豎向預應力鋼筋的有效預應力[2]，同時，驗證公路橋梁新結構、新材料、新設計理論方法的合理性，為橋梁養護方案的科學制訂提供依據。

3 橋梁養護中公路橋梁荷載試驗檢測常用方法

3.1 靜載試驗檢測法

靜載試驗檢測法主要是以公路橋梁為對象施加一定的靜力載荷，通過觀察公路橋梁結構的應力與變形量，判定公路橋梁的受力特性。進而通過采用與前期一致的措施得到的理論值與實測值進行對比，明確公路橋梁運行階段的承載情況[3]。一般在試驗效率達成的基礎上，依據加載車輛最少且結構荷載試驗效率最大的原則，進行加載位置、加載車總量的設置，以便壓縮試驗時間、提高試驗效率，選擇經緯儀、水準儀、電阻應變儀、等儀器，以及GPS測量系統，以及進行橋梁撓度、應變量等指標的測量。

3.2 動載試驗檢測法

動載試驗檢測法主要是模擬施加車輛通行、自然環境等外力因素，判定外力沖擊、共振作用下的公路橋梁的結構特征與內部性能，并第一時間獲知公路橋梁承載問題，及時養護，保證公路橋梁運行的安全平穩性[4]。在結構振動測試過程中，工作人員可以選擇信號放大器、拾振器、光線示波器、數字信號處理機、磁電式速度傳感器等儀器或電磁式測試系統、壓電式測試系統，依據脈動試驗、跑車試驗、剎車試驗、跳車試驗程序進行測試。一般根據公路橋梁結構的特殊性質，需要選擇不同類型的測試儀器。比如，對于自振頻率超過1.00 Hz的中小跨徑橋梁結構，可以選擇性能穩定、使用便捷、靈敏高效的磁電式測試系統；而對于自身頻率低于或等于1.00 Hz的大跨徑橋梁、連續鋼構橋，則可以選擇壓電式測試系統。

4 公路橋梁荷載試驗檢測案例

4.1 案例

某試驗橋梁右幅全長為245.62 m，右幅起止點樁號為K5+213.21~K5+458.83，橋梁左幅全長為168.95 m，寬度為19.18 m（5.80 m人行道+11.58 m車行道+1.8 m中央分隔帶），左幅起止點樁號為K5+289.88~K5+458.83。橋梁縱坡為2.86%，位于半徑約為1 458.00 m的右偏圓曲線段坡（豎曲線坡長為1 025.69 m）上。橋梁上部結構為等截面普通鋼筋混凝土連續箱梁與變截面預應力混凝土連續剛構、等截面普通鋼筋混凝土簡支箱梁，下部結構為空心薄壁墩（主橋橋墩）+雙柱墩（引橋與分聯墩）+重力式U形橋臺。橋面鋪裝表層為SMA-13細粒式SBS改性瀝青混凝土，厚度為7.00 cm，中間層為AMP-100防水層，基礎層為C50聚丙乙烯纖維混凝土，厚度為10.00 cm。整個橋梁設計載荷為城-A級，人群載荷為3.50 kN/m2。

4.2 檢測過程

應用靜載試驗檢測法時，需要事先標定加載車輛的單軸軸重、前后軸車軸間距、車輛總重量。選擇溫度變化對試驗影響較小的夜間進行檢測，向測試截面每片梁底粘貼2個應變片，同時，在馬蹄部、梁頂部、T梁分別粘貼1個、1個、4個應變片。并利用吊表法在測試截面每片梁底安裝1個撓度百分表，讀取各測點初始讀數，按照試驗計算最大加載重量的0.2~0.3倍對橋梁試驗跨1/2截面進行預加載，同時，全方位檢查加載安全、儀器儀表、試驗人員準備以及應變片的情況。在預加載完畢后，分別在偏載加載（6級加載）、孔跨中截面對稱加載（4級加載）工況下，事先準備4輛質量為40.00 t的加載車輛，檢驗橋梁中梁1/2縱向截面抵抗荷載產生的抗彎剛度和最大正彎矩。一般在前一級荷載下結構變位相對穩定后方可開展下一級荷載加載，加卸載穩定時間應在0.50 h以上，并在每次加載完畢且結構變位相對穩定后讀數，待橋梁主梁變位處于基本穩定狀態后開始下一個級別的荷載加載讀數。必要情況下，也可以將試驗橋梁應變校驗系數、撓度校驗系數分別與同類橋梁應變校驗系數、撓度校驗系數進行對比，判定結構變位及應變是否出現不穩定變化。

應用動載試驗檢測法時，需要分別開展脈動試驗、跳車試驗、跑車試驗及剎車試驗。

1）在脈動試驗過程中，需要在確保試驗橋梁表面無交通荷載（行人、車輛）且周邊無規則振動源的前提下，依托橋梁結構動力測試系統對橋梁所處位置因隨機載荷激振而出現的結構細微小水平振動響應時程，如風力載荷、地表脈動、水流載荷等，對結構脈動時程數據進行剖析，獲得試驗橋梁自振頻率。

2）在跳車試驗開展過程中，需要事先準備1輛質量為30.00 t的試驗車，在試驗橋梁主橋跨中位置下落后輪并墊設方木，方木厚度為0.15 m。利用試驗車輛后輪下落對橋梁所產生的瞬時沖擊以及引發的橋梁上下振動，獲得橋梁梁部縱向1/2截面位置的動撓度最大值以及對應的激振頻率。

3）跑車試驗時，需要事先準備1輛或2輛質量為30.00 t的試驗車輛，指揮試驗車輛分別以15.00 km/h、20.00 km/h、25.00 km/h、30.00 km/h、35.00 km/h的速度均勻駛過試驗橋梁，在不同速度下，車輛行駛速度激發激振力、試驗橋梁結構固有頻率處于相同或相近水平時，振動響應值也可以達到最高水平。

4）剎車試驗時，需要事先準備1輛質量為30.00 t的車輛，以20.00 km/h的速度勻速行駛到試驗橋梁1/2橫向截面位置后緊急剎車，利用試驗車緊急剎車對橋梁的沖擊作用，在DH5922橋梁結構動力測試系統以及配套的動態傳感器中，獲得試驗橋梁所布設測點的動撓度最大信號以及振動時程曲線，經過數字信號處理軟件再次處理后，可以得到試驗橋梁的系統自身頻率、結構動力特性試驗結果、沖擊系數等數值。

4.3 檢測結果

靜載撓度、應變實測值見表1。

表1 靜載撓度、應變實測值（均值）

由表1可知，在偏載加載、孔跨中截面對稱加載下，撓度校驗系數（均值）分別為0.403、0.398，較同類別橋梁偏小，表明試驗橋梁具有較大的剛度以及較強的抵抗變形能力；而應變校驗系數（均值）分別為0.890、1.038，稍大于同類橋梁應變校驗系數常值，表明在當前運行過程中，試驗橋梁承載能力已經出現了一定幅度的下滑，雖然具有良好的承載能力，但仍需制訂、實施基于應變承載的養護方案。

試驗橋梁在跳車、剎車、脈動、跑車試驗工況下，主要測試截面最大動撓度均沒有超出JTG/T J21—2017《公路橋梁承載能力檢驗評定規程》的規定限值，下部結構、上部結構主梁相對殘余應變均在20.00%以下，表明試驗橋梁結構強度與設計要求偏差不大，安全儲備足夠，上部主流處于彈性工作狀態，暫不需進行養護。同時，分析動載測試數據（見表2），該橋跨結構在15.00 km/h、20.00 km/h、25.00 km/h、30.00 km/h、35.00 km/h的速度下，測得的自振頻率超出了計算數值，表明試驗橋梁結構實際剛度超出了設計剛度，且具有足夠的安全儲備，運行狀態良好，機動車行駛時不會導致主梁出現危及結構安全的共振，不需額外養護。

表2 動載檢測結果（均值）

5 結語

綜上所述，以公路橋梁為對象的荷載試驗檢測是一種應用頻率較高且富有效力的橋梁養護技術，不僅可以幫助橋梁養護決策者明確橋梁當前的承載能力，還可以為新的養護理論、養護工藝的變化更新與應用提供直觀、有價值的實踐資料。因此，在橋梁養護作業開展過程中，根據橋型、外界工作條件差異，可以選擇不同的公路橋梁荷載試驗檢測儀器、方法，以便為橋梁養護工作開展提供建議和指導。