既有橋梁快速試驗檢測評估技術分析

唐文

（贛州市交通工程試驗檢測中心，江西贛州 341000）

0 引言

橋梁工程在投入使用后會受到多種因素影響而導致結構損傷，在多種因素的作用下降低橋梁自身的承載力。為保障橋梁的運營安全，需要對既有橋梁的承載力這一直接關系到橋梁質量的指標進行檢測，基于試驗檢測結果采取相應的維護和保養措施。在此過程中，對既有橋梁的快速試驗檢測評估技術應用效果會直接關系到橋梁整體的運營安全。

1 既有橋梁快速試驗檢測評估基本步驟和程序

1.1 外觀調查評定方法與原理

外觀調查評定法主要是指從橋梁構件、部件、橋面系、上部結構、下部結構以及全橋等角度對橋梁進行試驗檢測，應用分層綜合評定和單項控制指標相結合的方法，明確橋梁的整體幾何尺寸和局部構造幾何尺寸，能夠及時發現既有橋梁中存在的病害種類和程度，進而基于檢查的結果對橋梁結構進行評價。現階段，外觀調查評定法能夠直接基于先進的檢測儀器設備來實現[1]。對于既有橋梁的外觀調查，在對橋梁的各種病害進行分析的過程中，最終也需要落實各類病害對橋梁整體承載能力產生的影響。因而，在實際應用外觀檢測評定法的過程中，也需要明確對于橋梁承載能力系數進行計算的原理。

現階段，能夠用于既有橋梁快速試驗檢測的橋梁承載能力系數計算公式為：

式（1）中：R.F.表示橋梁承載能力系數；Ru表示被評估的橋梁截面的真實極限強度，對應抗彎強度、抗剪強度等方面的指標；γD表示恒載的荷載系數；γL表示活載的荷載系數；1 表示活載的沖擊系數；D表示橋梁截面的恒載效應；L表示截面的活載效應。

在遵循這一公式進行計算的前提下，需要明確橋梁承載能力具體會受到混凝土材料、荷載等方面指標變化的影響，因而在后續快速試驗檢測中，應考慮無損檢測方法與荷載試驗方法對提升橋梁質量檢測評估科學性的作用。

1.2 無損檢測方法

無損檢測方法的應用不會對既有橋梁造成額外損傷，能夠從橋梁材料損傷以及結構受力損傷兩個方面來進行檢測。其中，既有橋梁在使用中很容易由于疲勞損傷和鋼筋腐蝕導致材料損傷。而在結構受力損傷方面，鋼筋與混凝土的應用狀況是無損檢測方法中強調的重要內容。例如，對于既有橋梁結構中混凝土的性能檢測，可以從橋梁承載能力的降低率角度來對橋梁的安全性和等級進行劃分。對于橋梁承載能力中抗力降低率的計算，可以在應用可靠度校準方法的基礎上，明確抗力與綜合荷載效應之間的關系：

式（2）中：SGK、SQK分別表示基于規范規定的荷載標準值、汽車荷載標準值計算的效應；K1、K2分別表示恒載與汽車荷載的分項系數；γ3表示橋梁結構構件的工作條件系數，在橋梁構件受到延性破壞和脆性破壞的情況下也會產生不同的值；γ4、γ5分別表示材料分項系數、荷載分項系數的調整系數；RK表示橋梁結構構件的抗力標準值。

在明確這一關系的基礎上，可以將橋梁設計規范中以標準值表達的設計表達式與基本變量相關的統計參數結合起來，基于既定的基本綜合變量概率，將降低的抗力轉化為修改的分項系數。在分項系數改變的情況下，涉及的橋梁可靠指標也會發生變化，進而使抗力與荷載效應之間的關系發生變化。在這種情況下，就可以直接通過改變抗力分項系數的方式來對橋梁結構的可靠指標進行計算，進而達到檢測橋梁安全性等級和程度的目的。

1.3 荷載試驗法

荷載試驗法通常分為靜力荷載試驗以及動力荷載試驗兩種類型。靜力荷載試驗主要是基于靜止的荷載作用原理，對橋梁指定位置結構的靜位移、靜應變以及裂縫等靜態參數進行檢測；而動力荷載試驗則更多是利用激振方法來實現對橋梁結構振動中各項參數變化情況的檢測[2]。在荷載試驗法應用過程中會涉及一些理論計算的內容，能夠實現對橋梁使用的實際受力狀態和隱藏性病害的檢測分析，因而在當前既有橋梁快速試驗檢測中有著更為廣泛的應用。

2 荷載試驗法在既有橋梁快速試驗檢測中的應用原理

荷載試驗法是能夠實現對既有橋梁快速試驗檢測的重要方法，需要依據更先進的檢測設備和系統，實現對橋梁檢測中涉及的各類指標數據的計算，從而提升橋梁檢測的實際效果。

2.1 選取試驗效率與加載工況

應用荷載試驗法對既有橋梁進行快速試驗檢測，需要建立在明確試驗效率與加載工況的基礎上。

對于橋梁移動荷載的試驗，主要應用靜力荷載試驗的方法，基于明確荷載試驗能夠反映的結構受力特點這一原理，在應用試驗檢測設備獲得檢測數據之后，應用以下公式來求得橋梁某一控制截面的計算效應以及橋梁截面對應的設計控制效應的比值：

式（3）中：Ss表示橋梁加載控制截面內力的最大計算效應值，單位為kN；μ表示沖擊系數值；S`表示橋梁加載控制截面應力的最不利效應計算值，單位為kN；ηq表示靜力試驗荷載效率。

而對于加載工況的選取，則需要利用三軸載重加載車來滿足荷載試驗的要求。如圖1 所示，在明確加載車尺寸的基礎上，需要讓車輛方向在荷載試驗中能夠保持一致，同時也需要控制好車間距離[3]。

圖1 加載車尺寸明細

2.2 動態響應的采集

荷載試驗法中對動態響應參數的采集，主要包括撓度與應變兩個指標，在試驗中需要分別基于動撓度和動應變的檢測來明確橋梁受到損傷的實際情況。

2.2.1 動撓度的采集

對于既有橋梁撓度的采集，通常應用相對式測量以及絕對式測量的兩種方法來實現。應用相對式測量方法，能夠直接通過位移計、傾角儀以及電測儀配合采集系統來進行數據的采集和分析，進而得到相對式撓度；應用絕對式測量方法則需要從絕對加速度以及絕對速度兩個指標入手，應用加速度傳感器或速度傳感器來獲得相對應的加速度值，進而通過積分計算的方法得到絕對動位移值[4]。

在應用絕對式測量方法的過程中，會涉及以下公式：

式（4）～式（5）中：yda表示絕對動撓度；v0表示初始速度，單位為m/s；a表示加速度，單位為m/s；a0表示初始加速度，單位為m/s；v表示速度，單位為m/s。

2.2.2 動應變的采集

動應變的采集主要是基于橋梁移動荷載與靜力荷載作用下產生的靜態響應值的比值大小，通常需要基于實際獲得的動撓度曲線變化情況，結合以下公式進行計算：

式（6）中：Smax表示橋梁處于移動荷載作用下時，測量位置的最大應變值，單位為m；Smin表示與最大應變值相對應的最小應變值，單位為m。

2.3 靜態響應的計算

在明確采集的動態響應值大小之后，還需要進行橋梁動態響應值的計算。當橋梁受到移動荷載作用向其施加的荷載力時，基于動力增大系數的定義和原理，可以明確橋梁的動態響應與靜態響應關系，能夠應用以下公式表示。

式（7）中：Ss表示動態響應；Sdr表示靜態響應；1 +μ表示實測動力增大系數。

在明確橋梁動態響應與靜態響應關系的基礎上，還可以直接明確橋梁靜撓度與動撓度之間的關系，進而對既有橋梁的靜撓度以及靜應變進行計算。

2.4 評定承載能力

應用荷載試驗的方法對既有橋梁承載能力進行評定，需要在明確以上各項數值計算原理和方法的基礎上，基于測點的實測彈性撓度和相應的理論計算值比較情況來進行計算。在實際檢測試驗中，通常應用以下公式和符號進行計算：

式（8）中：ζ表示靜力荷載試驗的橋梁結構校驗系數；Ss表示荷載作用下的橋梁實測彈性撓度值；Se表示荷載作用下橋梁測點的理論計算撓度值。

基于當前對橋梁工程質量檢測提出的標準要求，在計算橋梁承載能力過程中，如果靜力荷載試驗結構校驗系數的計算值不超過1，則可以證實橋梁的實際承載能力能夠滿足橋梁使用的要求；而如果得到的這一計算值大于1，則證明橋梁的承載力已經難以滿足橋梁質量的要求。

3 應用荷載試驗的實例分析

某既有橋梁工程以先張預應力空心梁板結構為主，跨徑大小為13.8m，橋梁整體由9 片寬0.99m 的中梁和2 片1.495m 的邊梁組成，橋梁路面總體寬度為12m。

在試驗檢測中，該工程以梁體跨中截面彎矩作為控制內力進行靜力荷載試驗，對不同工況下橋梁各梁體跨中截面的靜撓度和靜應變進行測試。同時，通過模態試驗和移動荷載試驗的方法，確定試驗的控制變量為5km/h、10km/h、20km/h 的加載工況。在加載車單輛重375kN 的情況下，結合以上試驗步驟和公式計算要求得到以下移動荷載試驗數據：

當橋梁處于3#梁跨中彎矩的控制內力作用時，在單輛車移動荷載試驗速度分別為5km/h、10km/h、20km/h 的情況下，計算得到的靜載試驗效率為0.64；當橋梁處于6#梁跨中彎矩的控制內力作用時，計算得到的靜載試驗效率為0.58；處于9#梁跨中彎矩的控制內力作用時，計算得到的靜載試驗效率為0.64。

基于計算得到的加載工況靜載試驗效率，還需要結合工況布置車輛荷載位置。例如，在橋梁處于3#梁跨中彎矩的控制內力作用時，單輛車的偏載工況應作用于梁體跨中的位置，進而對梁跨中截面的撓度和應變值進行測試。

在靜力荷載試驗中，基于工程整體要求共布置7個撓度測點和7 個應力測點，分別在橋梁的1/4、1/2、3/4 三個截面位置，以橋梁橫向中間和兩側的位置，共布置9 個傳感器。

結合表1 中數據可以發現，該工況下的4～6 梁靜力荷載試驗的效率處于0.95～1.05 之間，其余試驗效率均未超過0.95，總體試驗效率范圍在0.48～1.04之間。

表1 某一工況下的橋梁靜力荷載試驗結果

而對該工況下的橋梁靜力荷載撓度校驗系數進行計算，發現梁的撓度校驗系數普遍處于0.24～0.27之間，相對殘余變形量在1.22%～5.04%之間。其中，對于靜力荷載試驗結果未超過0.95 的梁體，撓度校驗系數在0.24～0.31 之間，相對殘余變形在0～6.19%之間；對于該工況下的應變檢測結果進行計算，發現梁的應變校驗系數在0.42～0.54 之間，相對殘余應變在0～3.03% 之間。其中，對于靜力荷載試驗結果未超過0.95 的梁體，應變校驗系數在0.34～0.63 之間，相對殘余應變在0～8.33%之間。基于橋梁工程的質量檢驗標準，證實該工況下的橋梁質量符合相應的標準要求。

4 結語

綜上所述，應用荷載試驗的方法能夠有效滿足對既有橋梁進行快速試驗檢測的要求。考慮到當前既有橋梁在投入使用后可能受到的各種因素影響，可以應用荷載試驗的方法對橋梁的承載能力進行快速評定。在此過程中，需要明確各種影響橋梁承載力大小的因素和指標，嚴格遵循試驗檢測方法的步驟要求，在保證橋梁承載力檢測評估效果準確性的基礎上，更好地維護和保障既有橋梁的運營安全。