荷載試驗(yàn)在橋梁檢測中的應(yīng)用

摘 要：隨著橋梁數(shù)量龐大且不斷增長，橋梁檢測作為評估橋梁安全性的有效途徑備受關(guān)注。荷載試驗(yàn)作為分析橋梁受力分布情況、安全狀態(tài)與承載能力的一種常用方式，可為橋梁安全運(yùn)營以及后期養(yǎng)護(hù)順利開展提供指導(dǎo)。基于此，介紹橋梁檢測以及荷載試驗(yàn)類別、目的，著重分析橋梁荷載試驗(yàn)的具體應(yīng)用，旨在豐富橋梁檢測相關(guān)研究，為荷載試驗(yàn)有效實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞：荷載試驗(yàn)；橋梁檢測；應(yīng)用

中圖分類號：U448" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2024）06-0076-03

0 引言

隨著交通負(fù)荷逐漸增長，橋梁工程設(shè)計(jì)的荷載等級也面臨更高要求。通過橋梁檢測科學(xué)評估橋梁質(zhì)量，進(jìn)行可靠性指導(dǎo)實(shí)踐工作，可為橋梁使用期間的安全運(yùn)行提供有力保障。荷載試驗(yàn)便是運(yùn)用科學(xué)方法分析橋梁承載力情況的檢測手段，在橋梁檢測中應(yīng)用廣泛，對交通運(yùn)輸安全的維護(hù)具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 橋梁檢測的意義

橋梁工程建設(shè)過程并非靜態(tài)不變，而是復(fù)雜多變的，甚至?xí)霈F(xiàn)一些難以預(yù)料的情況。橋梁建成后，投入使用20～30年就可能出現(xiàn)安全性與使用性能下降問題。運(yùn)用科學(xué)檢測手段檢測評估橋梁的安全性、穩(wěn)定性與使用耐久性，可以確保橋梁狀態(tài)在可控制范圍內(nèi)，為橋梁安全運(yùn)行提供可靠保障。近些年我國橋梁工程數(shù)量與規(guī)模急劇增加，橋梁功能更為多元化形式更加多樣化，橋梁質(zhì)量也受到各界廣泛關(guān)注[2]。

我國橋梁檢測起步相對較晚，在20世紀(jì)80年代，對橋梁加固改造進(jìn)行研究并取得一定成果。橋梁檢測涉及新建橋梁與在役橋梁，除了檢測承載能力以外，還要分析使用性能。經(jīng)橋梁檢測可分析該橋梁服役階段是否處于安全狀態(tài)，能否滿足使用要求，如自然災(zāi)害下橋梁可能受到一定破壞，通過橋梁檢測可為后續(xù)修復(fù)處理提供參考資料。橋梁檢測對整個橋梁生命周期均具有明顯的積極意義，如通過橋梁檢測可及時發(fā)現(xiàn)部分橋梁潛在的缺陷，確保橋梁結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，或者確定橋梁承載力級別，獲得的檢測數(shù)據(jù)也可為后期工程竣工驗(yàn)收、運(yùn)營維護(hù)工作開展提供參考依據(jù)[3]。橋梁檢測形成的數(shù)據(jù)資料可豐富各類橋梁信息數(shù)據(jù)庫，為相關(guān)研究進(jìn)行提供技術(shù)資料，通過橋梁構(gòu)件的檢測對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及發(fā)展具有一定促進(jìn)作用。

2 荷載試驗(yàn)類別與目的

2.1 荷載試驗(yàn)類別

一般情況下橋梁荷載涉及可變荷載（基本可變荷載、其他可變荷載）、永久荷載（上部結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備重力、水浮力、土壓力以及墩臺重力等）以及偶然荷載（如地震荷載）等方面。可變荷載是隨著時間推移而出現(xiàn)較大變化的荷載，人群、車輛甚至車輛沖擊力等都可歸屬于基本可變荷載，而流水壓力、汽車制動力以及風(fēng)荷載均屬于其他荷載。如果結(jié)構(gòu)處于使用極限狀態(tài)，此時永久荷載即為預(yù)應(yīng)力。在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)條件下，可將預(yù)應(yīng)力視作結(jié)構(gòu)抗力處理，這種荷載是不會隨橋梁使用時間變化而明顯變化的[4]。偶然出現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)影響較大但時間短暫的荷載為偶然荷載。

橋梁荷載試驗(yàn)可以看作是直接加載測試橋梁結(jié)構(gòu)物的一種檢驗(yàn)手段。荷載試驗(yàn)根據(jù)內(nèi)容劃分有靜載試驗(yàn)與動載試驗(yàn)之分。靜載試驗(yàn)為橋梁基本荷載試驗(yàn)，通常通過重力加載設(shè)備以靜壓方式對結(jié)構(gòu)響應(yīng)（如靜應(yīng)變、靜位移等）進(jìn)行檢測。動載試驗(yàn)在實(shí)橋試驗(yàn)中運(yùn)用較多，是分析車輛通過橋梁分析結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)情況。動荷載所致橋梁結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)通常會較靜力效應(yīng)更大。

2.2 荷載試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在工程實(shí)踐中，橋梁荷載試驗(yàn)實(shí)施的任務(wù)與目的通常有所區(qū)別，但涉及的技術(shù)以及內(nèi)容卻無太大差異。可通過荷載試驗(yàn)評估橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力，對其工作性能進(jìn)行評價(jià)。橋梁工程設(shè)計(jì)施工往往會受到其他因素影響，通過橋梁荷載試驗(yàn)可對橋梁建設(shè)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。評估橋梁動載性能，可通過動載試驗(yàn)檢測結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可借助荷載試驗(yàn)對設(shè)計(jì)方法理論技術(shù)等合理性與可行性進(jìn)行驗(yàn)證，為類似橋梁設(shè)計(jì)以及施工提供參考資料，并積累橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，為工程建成后運(yùn)營、管理以及養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)支持[5]。

3 橋梁荷載試驗(yàn)分析

3.1 工程概況

某橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁，左幅長度達(dá)到340 m，橋梁設(shè)計(jì)安全等級為一級，主干道雙向8車道，標(biāo)準(zhǔn)寬度達(dá)到50 m，地震動峰值加速度、抗震設(shè)防烈度與等級分別為0.05 g、6度、7級，荷載等級、計(jì)算行車速度按照公路Ⅰ級、40 km/h。

3.2 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)主要是為了對結(jié)構(gòu)控制斷面應(yīng)力與撓度變化情況進(jìn)行測試，從而評估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及剛度，明確橋梁的承載力，為橋梁結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量評估提供參考。

3.2.1 靜載試驗(yàn)原則

在橋梁靜載試驗(yàn)時，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)考量的最不利的荷載作用，選取的試驗(yàn)斷面應(yīng)具備足夠的代表性，從而確保能夠獲得更為可靠的試驗(yàn)結(jié)果。對靜載試驗(yàn)部分，結(jié)合實(shí)際需要選擇最大正負(fù)彎矩方面，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力（采用有限元分析軟件計(jì)算）選擇相應(yīng)的試驗(yàn)斷面-墩頂附近位置以及部分跨的跨中位置。至于結(jié)構(gòu)單元類型則選擇梁。

現(xiàn)場則按照分級加載進(jìn)行，包括兩次卸載與加載，荷載效率系數(shù)依次為0.8、1.0。對加載荷載作用后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)給予密切關(guān)注，參考理論計(jì)算機(jī)做對比分析，如果理論值與測試值二者偏差較大則將加載停止，分析明確引發(fā)原因后再繼續(xù)。按照預(yù)載→卸載→加載（系數(shù)0.8）→加載（系數(shù)1.0）→卸載→加載（系數(shù)1.0）→卸載進(jìn)行加載控制。為了避免無關(guān)干擾，所有試驗(yàn)相關(guān)加載車輛均統(tǒng)一安排調(diào)度，待加載與加載完畢的車輛停放在指定位置，盡可能遠(yuǎn)離試驗(yàn)橋跨。

3.2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)加載

本次靜載試驗(yàn)加載位置在滿足加載要求前提下，以最少的加載車輛實(shí)現(xiàn)最大加載效率，盡可能簡化工況，提高試驗(yàn)效率。本研究中按照橋梁設(shè)計(jì)設(shè)在最不利荷載的控制內(nèi)力、車輛相關(guān)技術(shù)參數(shù)綜合計(jì)算分析，確定試驗(yàn)所需車輛載重以及數(shù)量情況。

為了確保加載順利進(jìn)行，均選擇駕駛?cè)藛T技術(shù)嫻熟且車況處于良好狀態(tài)的車輛進(jìn)行加載試驗(yàn)。本研究中試驗(yàn)用車數(shù)量為8輛，前軸載荷分別為78 kN、101 kN、99 kN、98 kN、77 kN、67 kN、77 kN以及75 kN，后軸載荷依次為343 kN、285 kN、291 kN、303 kN、302 kN、330 kN、314 kN以及321 kN，按照實(shí)際記載重量與量測所得輪位分析計(jì)算荷載效率與理論效應(yīng)。所用儀器包括靜態(tài)應(yīng)變儀與水準(zhǔn)儀。

斷面按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇，加載輪布置是基于理論計(jì)算所得影響線實(shí)施，按照公路-Ⅰ級荷載得出控制彎矩，用車數(shù)量與相應(yīng)輪位則基于等效荷載予以明確。本研究中橋梁靜載試驗(yàn)涉及左右幅兩部分，根據(jù)左幅試驗(yàn)邊跨最大正彎矩（A-100%）、次中跨最大正彎矩（C-100%）、邊墩最大負(fù)彎矩（B-100%）、主墩最大負(fù)彎矩（D-100%）、主跨最大正彎矩（E-100%）設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值，明確左幅靜載試驗(yàn)效率值在0.97～1.04。右幅部分包括邊跨最大正彎矩（A-100%）、主跨最大正彎矩（C-100%）與邊墩最大負(fù)彎矩（B-100%），基于設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值，明確加載效率值為0.96～1.0，綜合分析，本研究荷載效率系數(shù)介于0.96～1.04，未超過規(guī)范要求的0.95～1.05。

3.2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.3.1 靜載撓度

本項(xiàng)目撓度測點(diǎn)達(dá)到10個，左幅與右幅分別占到6個與4個撓度測點(diǎn)，并且一個控制界面下包括綠化帶根部、箱梁內(nèi)側(cè)處兩個測點(diǎn)。左幅撓度測試結(jié)果為：工況A-100%、C-100%、E-100%共6個測點(diǎn)實(shí)測值介于1.80～9.80 mm，理論值介于2.60～11.40 mm，卸載后讀數(shù)介于0.10～0.30 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.68～0.84，相對殘余變形介于2.08%～11.11%；右幅工況A-100%、C-100%4個測點(diǎn)實(shí)測值介于5.20～ 10.50 mm，理論值介于6.5～12.10 mm，卸載后讀數(shù)0.10～0.40 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)0.80～0.87，相對殘余變形為1.90%～3.92%。

可以看出兩幅撓度校驗(yàn)系數(shù)處于0.68～0.87，均不超過1，表明測試橋梁結(jié)構(gòu)剛度是滿足設(shè)計(jì)要求的。相對殘余變形規(guī)定限值為20%，本研究靜載試驗(yàn)左右幅殘相對殘余變形介于1.90%～11.11%，均小于20%，表明靜載試驗(yàn)荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)為彈性工作狀態(tài)，滿足要求。

3.2.3.2 應(yīng)變測試

左幅工況A-E控制斷面每隔兩個測試位置，實(shí)測值在-1～1.10 MPa，理論值-1.31～1.52 MPa，卸載后讀數(shù)-0.13～0.11 MPa，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)0.59～0.85，相對殘余變形3.64%～17.14%。右幅方面A～C共6個測試位置，實(shí)測值-0.62～0.74 MPa，理論值-0.62～0.90 MPa，卸載后讀數(shù)-0.02～0.04 MPa，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)與相對殘余變形分別為0.68～0.82、1.61%～5.41%。

同規(guī)定值相較，撓度校驗(yàn)系數(shù)數(shù)值可以看出被測試結(jié)構(gòu)滿足要求，與靜載撓度測試一致試驗(yàn)荷載作用下同樣為彈性工作狀態(tài)。再次支座沉降方面，經(jīng)支座沉降測試，當(dāng)墩頂最大負(fù)彎矩時，其支座沉降量是比較小的，如左右兩幅空載時兩個測點(diǎn)均為0.00，滿載時在0.04～0.06。

3.3 動載試驗(yàn)

動載實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菫榱嗽u價(jià)橋梁的動力性能。動載試驗(yàn)測試項(xiàng)目是基于受測試橋梁結(jié)構(gòu)與受力來確定的，如自振動試驗(yàn)主要是測定主梁自振頻率并明確阻尼比，強(qiáng)迫振動試驗(yàn)包括無障礙行車試驗(yàn)（無障礙條件下兩輛載重汽車以不同速度通過橋跨結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)情況）、制動試驗(yàn)（兩輛車按照不同速度于測試斷面緊急制動瞬間的沖擊效應(yīng)）以及跳車試驗(yàn)（設(shè)置三角障礙物，車輛以不同速度強(qiáng)行通過的斷面動應(yīng)變沖量）等內(nèi)容。儀器包括動態(tài)信號分析儀/采集儀、信號放大器與加速度傳感器等。

3.3.1 自振特性測試結(jié)果

經(jīng)脈動試驗(yàn)得出橋梁左右幅計(jì)算頻率均為1.52 Hz，實(shí)測頻率分別為2.22 Hz、2.08 Hz，阻尼比分別為1.38%、1.32%，可以看出一節(jié)振動頻率較理論計(jì)算值更大，為小阻尼振動，即橋梁整體剛度與相關(guān)要求相符合的。

3.3.2 強(qiáng)迫振動試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)動力時程曲線獲得左幅5～40 km/h動載沖擊系數(shù)依次為1.00、1.03、1.06、1.08、1.05，右幅則分別為1.00、1.04、1.03、1.06、1.04。

車速為20 km/h、30 km/h情況下左幅跳車沖擊系數(shù)測試數(shù)值分別為1.05、1.06，右幅分別為1.03、1.04。

車速1為20 km/h、30 km/h情況下制動沖擊系數(shù)測試左幅數(shù)值分別為1.04、1.07，右幅兩次數(shù)值為1.05、1.06。

3.3.3 結(jié)果分析

隨著時間的推移，橋梁結(jié)構(gòu)受動力荷載作用會出現(xiàn)變化，并且其動力響應(yīng)往往比較復(fù)雜，測試涉及的參數(shù)并非單一，加之阻尼值等因素的影響，結(jié)構(gòu)動力特性可能會受到干擾，對此需要合理明確動力效應(yīng)的沖擊系數(shù)值，本研究根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算沖擊系數(shù)。行車沖擊系數(shù)（計(jì)算基于實(shí)測應(yīng)變曲線）左幅介于1.00～1.08，右幅介于1.00～1.06，即左右幅處于1.00～1.08，跳車試驗(yàn)沖擊系數(shù)（結(jié)合動撓度時程曲線與動應(yīng)變實(shí)測曲線進(jìn)行計(jì)算）在1.04～1.07，制動沖擊系數(shù)（結(jié)合實(shí)測動應(yīng)變與動撓度的時程曲線進(jìn)行計(jì)算）則在1.03～1.06，上述數(shù)值均較規(guī)范要求值（1.23）小。

3.4 結(jié)論分析

靜載試驗(yàn)所得撓度測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均在1以內(nèi)，而左右幅相對殘余變形最大值依次為17.14%、5.41%，均未超過規(guī)范限值。從分析結(jié)果可以看出，靜載試驗(yàn)驗(yàn)證了測試控制斷面剛度以及強(qiáng)度完全符合相關(guān)規(guī)范以及設(shè)計(jì)要求，與Ⅰ級公路使用要求相符合。動載試驗(yàn)測得自振頻率、阻尼系數(shù)在要求范圍內(nèi)，而強(qiáng)迫振動試驗(yàn)涉及的無障礙行車、跳車試驗(yàn)以及制動試驗(yàn)所得沖擊系數(shù)均較規(guī)范要求數(shù)值小，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以判定該橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的抗沖擊能力。

4 結(jié)束語

橋梁在長期使用過程中會受到多種因素影響而出現(xiàn)使用性能下降情況，對此需要通過橋梁檢測評估其性能與狀態(tài)。其中靜載試驗(yàn)是一種比較成熟且應(yīng)用普遍的橋梁檢測手段，可為橋梁結(jié)構(gòu)承載能力與使用性能的評定提供精確依據(jù)。本研究結(jié)合工程實(shí)例從靜載試驗(yàn)與動載試驗(yàn)兩個方面分析總結(jié)橋梁荷載試驗(yàn)的具體應(yīng)用，結(jié)果得出相關(guān)參數(shù)數(shù)值均滿足規(guī)范要求，表明了受測橋梁結(jié)構(gòu)剛度、動力性能等均符合標(biāo)準(zhǔn)，證實(shí)了荷載試驗(yàn)在評定橋梁質(zhì)量與安全性方面的應(yīng)用價(jià)值。

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