橋梁檢測(cè)工作中的靜載試驗(yàn)方法

許曉建 張保勝

中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)技術(shù)有限公司

1 引言

隨著我國公路建設(shè)的發(fā)展，各種橋梁的建設(shè)也逐漸增加，每年都有大批結(jié)構(gòu)新穎、形式多樣的橋梁建成，其安全性也不斷得到關(guān)注。為了確保橋梁的安全性和耐久性，必須對(duì)新建橋梁和運(yùn)營橋梁進(jìn)行檢測(cè)，如橋梁的沉降值、裂縫大小、質(zhì)量缺陷等，客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)橋梁的健康狀況。

2 橋梁靜載試驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x

橋梁靜載試驗(yàn)是指在橋梁的指定位置上增加荷載，再檢測(cè)橋梁的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)，得出靜荷載對(duì)橋梁的影響情況，進(jìn)而評(píng)價(jià)橋梁的健康狀況[1]。

2.1 對(duì)新建橋梁進(jìn)行鑒定

需要采用靜載試驗(yàn)綜合檢測(cè)新建橋梁，通過檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比分析可以判斷橋梁的施工質(zhì)量是否達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。新建橋梁的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供橋梁管理部門使用，方便日后的管理與養(yǎng)護(hù)工作。通過橋梁的靜載試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)新建橋梁的客觀評(píng)價(jià)。

2.2 對(duì)運(yùn)營中橋梁進(jìn)行鑒定

我國交通網(wǎng)絡(luò)中早期建設(shè)的橋梁運(yùn)營時(shí)間較長，受當(dāng)時(shí)施工條件的限制，其承載能力能否滿足目前的通行需求需要考究。通過靜載試驗(yàn)，橋梁管理運(yùn)維部門根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷橋梁的承載能力，對(duì)于不滿足使用要求的可以通過加固、改建等措施改造。通過定期的靜載試驗(yàn)評(píng)定橋梁的綜合狀況，預(yù)防安全事故[2]。

3 靜載試驗(yàn)方法的內(nèi)容和要點(diǎn)

3.1 靜載試驗(yàn)內(nèi)容

靜載試驗(yàn)主要是評(píng)估和確定橋梁的承載力和工作狀態(tài)。主要包括以下項(xiàng)目。

（1）撓度變形指標(biāo)。測(cè)量橋梁的橫向和縱向撓度，通過逐級(jí)加載靜荷載檢測(cè)控制截面梁的撓度變形。同時(shí)需要在支點(diǎn)位置布置測(cè)點(diǎn)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（2）應(yīng)力指標(biāo)。主要檢測(cè)橋梁各控制截面的應(yīng)力分布狀態(tài)，通過逐級(jí)加載靜荷載檢測(cè)并記錄控制截面的應(yīng)力分布和應(yīng)力大小。特殊截面需要對(duì)其剪應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力分析。

（3）裂縫檢測(cè)。在靜荷載加載過程中，需要記錄梁體表面的裂縫發(fā)展情況，包括原有裂縫的開展和新裂縫的產(chǎn)生。對(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)裂隙是不允許出現(xiàn)的。

（4）其他參數(shù)。靜荷載加載并卸載完成后，需要記錄分析測(cè)點(diǎn)的撓度和應(yīng)力殘余值。同時(shí)橋梁的伸縮、轉(zhuǎn)角和位移等也是檢測(cè)的重點(diǎn)。

3.2 靜載試驗(yàn)要點(diǎn)

靜載試驗(yàn)是一項(xiàng)資源占用較大的試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中需要把控試驗(yàn)要點(diǎn)，確保一次完成，試驗(yàn)過程中應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

（1）觀察記錄嚴(yán)謹(jǐn)。在讀數(shù)時(shí)必須嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。且每次讀數(shù)需要等加載穩(wěn)定后方可開始，避免應(yīng)力和變形延遲導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差情況。

（2）分級(jí)加載。靜載試驗(yàn)需按照試驗(yàn)要求分級(jí)加載，切忌不可縮短加載次數(shù)或一次加載到位。

（3）規(guī)范裂縫記錄程序。在靜載試驗(yàn)加載前需標(biāo)記和記錄原有裂隙（如位置、寬度、長度等），分級(jí)加載后要標(biāo)記新的裂縫，觀測(cè)標(biāo)記人員要保持唯一性，不可隨意替換[3]。

（4）控制測(cè)試時(shí)間。在分級(jí)加載試驗(yàn)中，每次加載的穩(wěn)定時(shí)間必須保持在5min以上，加載過程要時(shí)刻觀察測(cè)試數(shù)據(jù)和橋梁的變化，如果加載過程中出現(xiàn)的異常情況應(yīng)立即停止并分析原因、采取措施。

（5）觀測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)。要針對(duì)應(yīng)變和撓度檢測(cè)數(shù)據(jù)要進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，校驗(yàn)系數(shù)不可超過1。分析數(shù)據(jù)異常點(diǎn)和突變點(diǎn)產(chǎn)生的原因?？刂茪堄鄳?yīng)力和殘余撓度的殘余量不大于規(guī)范值的20%。

4 靜載試驗(yàn)檢測(cè)方法

橋梁的靜載試驗(yàn)按照試驗(yàn)流程可分為檢測(cè)前準(zhǔn)備階段、檢測(cè)加載和觀測(cè)階段、測(cè)試結(jié)果分析評(píng)價(jià)階段[4]。

4.1 測(cè)試前準(zhǔn)備階段

（1）編制試驗(yàn)方案。在編制靜載試驗(yàn)方案之前需要現(xiàn)場(chǎng)踏勘，調(diào)查橋梁的結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)方案一般包括工程概況、試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)內(nèi)容及方法、檢測(cè)人員及設(shè)備、側(cè)測(cè)點(diǎn)布置、試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果分析等。

（2）科學(xué)計(jì)算與分析。在試驗(yàn)方案編制完成后，按照設(shè)計(jì)要求并借助專業(yè)的橋梁分析軟件（如Midas或橋梁博士）進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析。比較不同荷載作用下橋梁的應(yīng)變和位移值和產(chǎn)生的位置。

（3）選定試驗(yàn)工況及截面。荷載工況也是靜載試驗(yàn)的一部分，選擇最不利荷載工況能夠直接反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形與設(shè)計(jì)狀態(tài)的差別[5]。對(duì)于邊梁，考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性需增加橫向偏載工況；如果構(gòu)件已出現(xiàn)受力裂縫，需增加中、偏荷載工況。一般加載截面選定應(yīng)依照計(jì)算的彎矩包絡(luò)圖、剪力包絡(luò)圖或撓度的包絡(luò)圖，按照最不利原則選擇截面，確定具體的試驗(yàn)工法。表1為常見橋梁的加載試驗(yàn)截面及內(nèi)容。

表1常見橋梁加載試驗(yàn)截面及內(nèi)容

（4）測(cè)點(diǎn)布置。一般截面的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)需要考慮高度和寬度兩個(gè)方向的受力來布置；位移測(cè)點(diǎn)應(yīng)能夠得出最大值和位移變化規(guī)律；對(duì)于特殊的測(cè)點(diǎn)如索塔的偏位移測(cè)試則需要考慮三個(gè)方向位移。

4.2 加載與觀測(cè)階段

（1）選擇負(fù)載試驗(yàn)對(duì)象。在實(shí)際操作開始之前，為了保證試驗(yàn)效果，要合理選擇靜力加載對(duì)象，確保所選對(duì)象具備代表性。具有相同結(jié)構(gòu)類型而擁有不同跨度的，則選擇跨度最大的一跨進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)。對(duì)于預(yù)制橋梁，則強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)的隨機(jī)性，選擇抽樣試驗(yàn)的方式。對(duì)于試驗(yàn)墩臺(tái)，選擇受力狀態(tài)最不利、狀態(tài)最差的位置。

（2）制定靜力加載方案。加載方案在靜載試驗(yàn)中發(fā)揮決定性作用，包括加載設(shè)備、加載荷載量、加載持續(xù)時(shí)間和卸載程序等。加載設(shè)備主要有重物和加載車輛，重物通常有水箱、沙袋和預(yù)制混凝土件等，方便逐級(jí)加載，以滿足不同的加載需求，主要應(yīng)用于樁基承載力靜載試驗(yàn)。車輛裝載試驗(yàn)主要應(yīng)用于成橋靜載試驗(yàn)，同時(shí)保證荷載和軸距誤差控制在5%以下。在確定加載量、加載時(shí)間和卸載程序時(shí)應(yīng)根據(jù)荷載總量采用分級(jí)加載的形式，確保應(yīng)力應(yīng)變曲線保持連續(xù)，通常分級(jí)荷載不小于四級(jí)。在加卸載試驗(yàn)中做好監(jiān)控工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，避免影響試驗(yàn)結(jié)果。為了減小溫度對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)果的影響，通常選擇晚上22點(diǎn)到早上6點(diǎn)，這樣也可將對(duì)交通的影響降到最低。

（3）確定具體的觀察內(nèi)容。靜載試驗(yàn)中觀測(cè)的主要內(nèi)容為變形、應(yīng)力、裂縫、傾斜、制作墩臺(tái)等情況。變形主要是梁的撓度和各種非豎向位移等，整體變形反映了橋梁的整體性能，局部變形則反映了橋梁構(gòu)件的局部情況。

（4）布置靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，按照適量的原則布置，利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和結(jié)構(gòu)互等原理減少測(cè)點(diǎn)布置，避免過度布置造成資源浪費(fèi)。同時(shí)測(cè)點(diǎn)的選擇需要具有代表性和易觀測(cè)性，考慮檢測(cè)技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性。

（5）合理選擇試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)觀測(cè)人員。當(dāng)前常用的儀器有刻度放大鏡、位移計(jì)、應(yīng)變片、靜態(tài)應(yīng)變儀等。儀器的測(cè)量精度需滿足試驗(yàn)需求，并適合檢測(cè)環(huán)境。此外，在測(cè)定同一參數(shù)時(shí)盡量選擇統(tǒng)一型號(hào)儀器，減小儀器帶來的系統(tǒng)誤差。提前組織人員進(jìn)行技術(shù)交底，同一組數(shù)據(jù)盡量由同一人觀測(cè)記錄，以減少觀測(cè)誤差。

4.3 分析與總結(jié)階段

（1）檢測(cè)數(shù)據(jù)核查。靜載試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)入數(shù)據(jù)整理和信息核查階段。試驗(yàn)人員根據(jù)規(guī)范和技術(shù)準(zhǔn)則仔細(xì)核查試驗(yàn)結(jié)果，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并及時(shí)輸出數(shù)據(jù)記錄和檢測(cè)報(bào)告，判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否存在問題，薄弱環(huán)節(jié)需派專人進(jìn)行檢查。

（2）靜載試驗(yàn)結(jié)果分析。在靜載試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)，得到橋梁的承載數(shù)據(jù)。橋梁工程中常采用校驗(yàn)系數(shù)η來評(píng)判橋梁的情況。校驗(yàn)系數(shù)是檢測(cè)值與理論計(jì)算值的比值。當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)η=1時(shí)，表示實(shí)測(cè)值與計(jì)算值完全吻合；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)η＜1時(shí)，表明檢測(cè)橋梁具有良好的性能，結(jié)構(gòu)安全性可靠；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)η＞1時(shí)，說明測(cè)試橋梁不符合標(biāo)準(zhǔn)，橋梁結(jié)構(gòu)安全性不滿足要求。此外，校驗(yàn)系數(shù)也不能偏小，原因是橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)化過度，忽略了橋梁自重。例如常見的公路橋梁，常采用表2中的校驗(yàn)系數(shù)。

表2常見橋梁校驗(yàn)系數(shù)

（3）殘余數(shù)值分析。處于完全彈性變形內(nèi)的結(jié)構(gòu)其靜力荷載卸載完成后不存在殘余應(yīng)力（應(yīng)變）。當(dāng)試驗(yàn)殘余數(shù)值越小，表明橋梁的工作狀態(tài)越好，相反橋梁可能發(fā)生塑性變形較大，部分變形無法恢復(fù)，橋梁可能發(fā)生了破壞。常見的橋梁靜載試驗(yàn)其殘余應(yīng)變的數(shù)值應(yīng)≤20%。若出現(xiàn)較大殘余應(yīng)變則需要對(duì)橋梁全面檢查，判斷橋梁的損壞情況。

5 結(jié)束語

綜上所述，靜載試驗(yàn)是橋梁檢測(cè)中最常用的方法，能夠檢測(cè)出橋梁的承載能力和結(jié)構(gòu)性能，綜合判斷橋梁的健康狀況，為橋梁的維護(hù)管理提供有力參考。本文從橋梁靜載試驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x出發(fā)，分三個(gè)階段詳細(xì)總結(jié)了橋梁靜載試驗(yàn)方法和內(nèi)容。檢測(cè)技術(shù)人員應(yīng)從整體上把控靜載試驗(yàn)的關(guān)鍵內(nèi)容，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁的隱患，保障橋梁的正常運(yùn)營。