動靜荷載試驗在橋梁檢測中的應用

蘇 偉

甘肅省交通科學研究院集團有限公司

1 引言

近年來隨著公路運輸業的發展，公路運輸成為貨運主要方式之一。同時道路交通事故、橋梁塌陷事件也屢見不鮮，貨運車輛超載是導致橋梁質量降低、壽命周期縮短的主要原因之一，同時由于橋梁建設過程中趕工期、方法不當、管理不嚴、降低材料標準等都會降低橋梁的質量，因此為確保橋梁安全使用需要對其做承載力鑒定。橋梁荷載試驗是目前測定橋梁實際可具備承載力的主要方法，分為靜載試驗和動載試驗。靜載試驗可以分析橋梁在實際運營中的承載能力和狀態，為橋梁檢測提供依據；橋梁的目前壽命質量和運營荷載等級評定可根據動載試驗結果確定。根據《公路養護技術規范》（JTG H10—2009）相關規定，為橋梁的質量鑒定提供依據，特別是采用新工藝、新材料、新結構的橋梁質量，需要檢測橋梁結構的實際承載能力，評價橋梁主體質量與設計。本文結合工程案例，對公路橋梁進行動、靜載荷試驗全過程進行論述[1-5]。橋梁現場檢測情況如圖1所示。

圖1 橋梁現場檢測情況

2 橋梁工程概況

某橋梁總長為155m，由不同時期建造的兩橋并列組成，兩座橋梁間距3.35m，跨徑相同，且均采用簡支梁結構。兩橋采用雙柱式鉆孔灌注樁基礎和雙柱式加蓋梁墩、臺，因不同時期建造，上游橋墩直徑0.8m，下游橋墩直徑1.0m；橋梁道路設計為雙向四車道，雙向車道寬7.0m 和9.0m，橋梁中央隔離帶寬3.35m，南北兩側人行道寬1.0m 和0.7m。經調查，本橋結構已嚴重損壞，初步判斷為危橋。現根據本橋的實際情況，對上游橋的橋梁進行動靜荷載試驗并進行分析。

3 橋梁試驗檢測

3.1 基本內容

（1）橋跨主體結構狀態評價；（2）主梁的承載力分析；（3）主梁動靜載荷試驗。

3.2 測點布置

從南至北的對橋梁主梁編號，始末橋臺分別為0-13 號臺，墩臺為1-12 編號。按照試驗方案，結合現場實際情況，本次檢測主要對象為10 號跨和11 號跨。兩個位移測點分別布置在橋梁的跨中截面點和簡支梁支點處；兩個應變測點分別布置在10號跨1、2號工字梁與11號跨的1、2號工字梁的肋部跨中的側面，主應力測點布置在距離理論支撐線40cm之外的位置。

3.3 試驗加載

（1）對橋跨主體進行載荷試驗加載采用20t 跨中加載，以評定橋跨主體質量和性能。

（2）對主梁進行承載力試驗：每次加載均采用2輛載重分別為20t，30t和40t加載車。

4 靜荷載試驗分析結果

4.1 荷載分布

4.1.1 荷載試驗系數分布

（1）根據現場采樣數值編制計算方案。

（2）對跨中截面參照彈性連續梁的計算方法進行計算。

（3）結構荷載設計包括汽車和人群，分別為汽車—15級和人群3kN∕m2。荷載試驗相關系數如下：1號梁相關系數：汽車荷載系數為0.47、人群荷載分布系數為0.713；2 號梁相關系數：汽車荷載系數為0.476、人群荷載分布系數0.457；3號梁相關系數：汽車荷載系數為0.4、人群荷載分布系數為0.2。

4.1.2 結果分析

根據實驗結果分析得知，發生偏載時，荷載一般在三個梁之間傳遞，得知橋梁的橫向剛度低。根據荷載試驗測試結果，橫向分布的實測結果與計算結果有較大差距，分析得知距離荷載中心點較遠的梁分擔載荷能力不足，荷載力一般在相鄰幾個梁之間傳遞。

4.2 主梁承載力試驗

（1）對各主梁進行加載試驗，并計算其彎矩。

（2）荷載試驗效率值維持在0.96～1.18 區間，且當試驗荷載效率最大時其對應的彎矩也達到最大，符合相應規范規定。

（3）根據對位移測試數據進行分析：試驗加載效率符合橋梁檢定相關規程，撓度校驗系數試驗結果維持在0.621～1.280 區間，得出本橋承載力不具備20t 汽車通行條件，通行汽車必須在15t以下。

4.3 應力應變

本試驗對橋梁應力應變檢測采用的是電阻應變片數據實時采集系統。應力應變檢測在10 號跨與11 號跨共設置5 個檢測點。根據試驗結果：跨中應變的最小值大于計算值，得出本橋梁實際承載力無法達到基本荷載標準；中性軸高度的實測值大于理論值。

4.4 混凝土應變檢測

采用電阻應變片和應變測試分析系統進行混凝土應變檢測試驗。混凝土應變檢測對象位于10 號跨與11 號跨的邊側混凝土。根據試驗檢測結果：跨中混凝土應變檢測的最大值基本達到計算值，證明混凝土實際承載力符合設計要求，滿足設計規范要求；中性軸高度的實測值大于理論值。混凝土拉應力的試驗最大值大于橋梁抗拉極限范圍上限，可以得出該混凝土結構已出現開裂。

4.5 綜合評定

（1）經測算該橋實際承載力不能達到相關規范要求。若強制使用容易發生事故，且可能發生特大事故。如果不及時采取相關修復措施，將會引發橋梁災難性事故。

（2）該橋目前實際承載力已經低于設計標準值，不具備通行汽車—10級的條件。應降低橋梁核定承載力使用。

（3）目前橋梁運營過程中，通行荷載已經超過其承載力，進一步破壞橋梁主體結構，加劇橋梁受損程度。

5 動荷載試驗

5.1 基本內容

（1）橋梁在動荷載條件下的自振頻率。

（2）通行汽車對橋梁的沖擊系數計算。

汽車對橋梁沖擊系數試驗對象仍為10號跨與11號跨，試驗采用載重汽車對橋梁進行不同行駛速度下的行駛激振，行駛速度分為20km∕h，40km∕h 和60km∕h 三個等級，按照對稱行車模式進行試驗，采集橋梁振動數據并對其進行分析，得出橋梁相關特性。

5.2 橋梁的阻尼比和自振頻率

采用自譜分析方法得出橋梁自身動力性能。當載重汽車的行駛速度分別為20km∕h、40km∕h 時進行時域波形與自譜分析。基于脈動條件，橋梁自振頻率范圍為：2.483Hz～3.422Hz時，對應的阻尼比范圍為0.036～0.111；基于車載條件，自振頻率的主要成分位于3.5Hz附近時，阻尼比為0.0123左右。由相關規范數據的測算，本橋梁結構的自振頻率約為10.31Hz，但試驗測試值小于計算值；橋梁實際阻尼比為0.121，超出0.01～0.08 的正常范圍。橋梁的實測頻率小于計算頻率，因此橋梁剛度相對較差。

5.3 通行汽車對橋梁的沖擊系數

從動荷載應變和位移測試的試驗所選取的測點中，挑選信號較好的三個測點，重點分析其相關測試數據。動荷載應變試驗測量結果為1.26。經過對應變波形分析，汽車對橋梁沖擊系數為1.21。

5.4 動荷載試驗數據分析

通行汽車對橋梁的沖擊系數在1.17～1.22范圍內，當試驗測試自振基頻等于3.54Hz時，對應的沖擊系數為1.22，說明橋梁自振頻率較低，整體性能較差。經過對以上各項數據分析，并參照相關規范得出，本橋主梁自振頻率差異大，橋梁結構受損嚴重，橋梁承載力已遠低于設計值。

6 橋梁動靜荷載試驗結論

（1）根據現行相關規范，本橋實際承載力已經遠低于設計值。橋跨的主體結構承載力已經遠低于荷載的設計值，在特殊情況下橋梁的混凝土已無法受力，只有工字梁單獨受力。

（2）因工字梁腹板較小，橋梁主梁的支點截面承載力已經無法達到設計標準，橋梁若繼續運營將會產生十分嚴重后果。

（3）根據2004年提出的所有運營公路必須滿足Ⅱ級荷載要求，本橋無法達到這一標準，故認定為危橋。

7 結束語

橋梁動靜荷載試驗技術已經十分成熟，在道路橋梁質量檢測方面應用較多。已經成為現階段橋梁檢測試驗的主流方法，并影響著橋梁性能和壽命周期等綜合評價，不僅可以科學有效的鑒定建成道路橋梁承載力，還可以為舊橋安全使用與修復提供技術指導。