荷载试验在桥梁检测中的应用

摘要：随着桥梁数量庞大且不断增长，桥梁检测作为评估桥梁安全性的有效途径备受关注。荷载试验作为分析桥梁受力分布情况、安全状态与承载能力的一种常用方式，可为桥梁安全运营以及后期养护顺利开展提供指导。基于此，介绍桥梁检测以及荷载试验类别、目的，着重分析桥梁荷载试验的具体应用，旨在丰富桥梁检测相关研究，为荷载试验有效实施提供参考。

关键词：荷载试验；桥梁检测；应用

引言

随着交通负荷逐渐增长，桥梁工程设计的荷载等级也面临更高要求。通过桥梁检测科学评估桥梁质量，进行可靠性指导实践工作，可为桥梁使用期间的安全运行提供有力保障。荷载试验便是运用科学方法分析桥梁承载力情况的检测手段，在桥梁检测中应用广泛，对交通运输安全的维护具有明显的现实意义[1]。
1桥梁检测的意义
   桥梁工程建设过程并非静态不变，而是复杂多变的，甚至会出现一些难以预料的情况。桥梁建成后，投入使用20~30年就可能出现安全性与使用性能下降问题。运用科学检测手段检测评估桥梁的安全性、稳定性与使用耐久性，可以确保桥梁状态在可控制范围内，为桥梁安全运行提供可靠保障。近些年我国桥梁工程数量与规模急剧增加，桥梁功能更为多元化形式更加多样化，桥梁质量也受到各界广泛关注 [2]我国桥梁检测起步相对较晚，在20世纪80 年代，对桥梁加固改造进行研究并取得一定成果。桥梁检测涉及新建桥梁与在役桥梁，除了检测承载能力以外，还要分析使用性能。经桥梁检测可分析该桥梁服役阶段是否处于安全状态，能否满足使用要求，如自然灾害下桥梁可能受到一定破坏，通过桥梁检测可为后续修复处理提供参考资料。桥梁检测对整个桥梁生命周期均具有明显的积极意义，如通过桥梁检测可及时发现部分桥梁潜在的缺陷，确保桥梁结构满足设计要求，或者确定桥梁承载力级别，获得的检测数据也可为后期工程竣工验收、运营维护工作开展提供参考依据[3]。桥梁检测形成的数据资料可丰富各类桥梁信息数据库，为相关研究进行提供技术资料，通过桥梁构件的检测对桥梁结构设计优化以及发展具有一定促进作用。
2 荷载试验类别与目的
2.1 荷载试验类别
  一般情况下桥梁荷载涉及可变荷载（基本可变荷载、其他可变荷载）、永久荷载（上部结构与附属设备重力、水浮力、土压力以及墩台重力等）以及偶然荷载（如地震荷载）等方面。可变荷载是随着时间推移而出现较大变化的荷载，人群、车辆甚至车辆冲击力等都可归属于基本可变荷载，而流水压力、汽车制动力以及风荷载均属于其他荷载。如果结构处于使用极限状态，此时永久荷载即为预应力。在承载能力极限状态设计条件下，可将预应力视作结构抗力处理，这种荷载是不会随桥梁使用时间变化而明显变化的[4]。偶然出现对桥梁结构影响较大但时间短暂的荷载为偶然荷载。桥梁荷载试验可以看作是直接加载测试桥梁结构物的一种检验手段。荷载试验根据内容划分有静载试验与动载试验之分。静载试验为桥梁基本荷载试验，通常通过重力加载设备以静压方式对结构响应（如静应变、静位移等）进行检测。动载试验在实桥试验中运用较多，是分析车辆通过桥梁分析结构动力响应情况。动荷载所致桥梁结构动力效应通常会较静力效应更大。
2.2 荷载试验目的
  在工程实践中，桥梁荷载试验实施的任务与目的通常有所区别，但涉及的技术以及内容却无太大差异。可通过荷载试验评估桥梁结构实际承载能力，对其工作性能进行评价。桥梁工程设计施工往往会受到其他因素影响，通过桥梁荷载试验可对桥梁建设质量进行检验。评估桥梁动载性能，可通过动载试验检测结构动力响应。智能测绘与检测检验桥梁结构设计，可借助荷载试验对设计方法理论技术等合理性与可行性进行验证，为类似桥梁设计以及施工提供参考资料，并积累桥梁健康监测数据，为工程建成后运营、管理以及养护提供数据支持[5]。
3 桥梁荷载试验分析
3.1 工程概况
  某桥梁为预应力混凝土连续桥梁左幅长度达到340m，桥梁设计安全等级为一级，主干道双向8车道，标准宽度达到50m，地震动峰值加速度、抗震设防烈度与等级分别为0.05g、6度、7级，荷载等级、计算行车速度按照公路I级、40km/h。
3.2 静载试验
  静载试验主要是为了对结构控制断面应力与挠度变化情况进行测试，从而评估结构的强度以及刚度，明确桥梁的承载力，为桥梁结构施工质量评估提供参考。
3.2.1 静载试验原则
  在桥梁静载试验时，为了实现设计考量的最不利的荷载作用，选取的试验断面应具备足够的代表性，从而确保能够获得更为可靠的试验结果。对静载试验部分，结合实际需要选择最大正负弯矩方面，根据结构设计内力（采用有限元分析软件计算）选择相应的试验断面 -墩顶附近位置以及部分跨的跨中位置。至于结构单元类型则选择梁。现场则按照分级加载进行，包括两次卸载与加载，荷载效率系数依次为0.8、1.0。对加载荷载作用后的结构响应给予密切关注，参考理论计算机做对比分析，如果理论值与测试值二者偏差较大则将加载停止，分析明确引发原因后再继续。按照预载→卸载→加载（系数0.8）→加载（系数1.0）→卸载→加载（系数1.0）→卸载进行加载控制。为了避免无关干扰，所有试验相关加载车辆均统一安排调度，待加载与加载完毕的车辆停放在指定位置，尽可能远离试验桥跨。
3.2.2 现场试验加载
   本次静载试验加载位置在满足加载要求前提下，以最少的加载车辆实现最大加载效率，尽可能简化工况，提高试验效率。本研究中按照桥梁设计设在最不利荷载的控制内力、车辆相关技术参数综合计算分析，确定试验所需车辆载重以及数量情况。为了确保加载顺利进行，均选择驾驶人员技术娴熟且车况处于良好状态的车辆进行加载试验。本研究中试验用车数量为8辆，前轴载荷分别为78kN、101kN、99kN、98kN、77kN、67kN、77kN 以及75kN，后轴载荷依次为343kN、285kN、291kN、303kN、302kN、330kN、314kN以及321kN，按照实际记载重量与量测所得轮位分析计算荷载效率与理论效应。所用仪器包括静态应变仪与水准仪。断面按照计算结果进行选择，加载轮布置是基于理论计算所得影响线实施，按照公路-I级荷载得出控制弯矩，用车数量与相应轮位则基于等效荷载予以明确。本研究中桥梁静载试验涉及左右幅两部分根据左幅试验边跨最大正弯矩（A-100%）、次中跨最大正弯矩（C-100%）、边墩最大负弯矩（B-100%）、主墩最大负弯矩（D-100%）、主跨最大正弯矩（E-100%）设计值与试验值，明确左幅静载试验效率值在0.97～ 1.04。右幅部分包括边跨最大正弯矩（A-100%）、主跨最大正弯矩（C-100%）与边墩最大负弯矩（B-100%），基于设计值与试验值明确加载效率值为0.96～1.0，综合分析，本研究荷载效率系数介于0.96～1.04未超过规范要求的0.95～1.05。
3.2.3 静载试验结果分析
3.2.3.1 静载挠度
  本项目挠度测点达到10个，左幅与右幅分别占到6个与4个挠度测点，并且一个控制界面下包括绿化带根部、箱梁内侧处两个测点。左幅挠度测试结果为：工况A-100%、C-100%、E-100%共6个测点实 测值介于1.80～9.80mm，理论值介于2.60～11.40mm，卸载后读数介于0.10～ 0.30mm，挠度校验系数介于0.68 ～ 0.84，相对残余变形介于2.08%～11.11%；右幅工况 A-100%、C-100%4个测点实测值介于 5.20～10.50mm，理论值介于6.5～12.10 mm，卸载后读数0.10～0.40mm，挠度校验系数0.80～0.87，相对残余变形为1.90%～3.92%。可以看出两幅挠度校验系数处于0.68～0.87，均不超过1，表明测试桥梁结构刚度是满足设计要求的。相对残余变形规定限值为20%，本研究静载试验左右幅残相对残余变形介于1.90% ～11.11%，均小于20%，表明静载试验荷载作用下桥梁结构为弹性工作状态，满足要求。
3.2.3.2 应变测试
  左幅工况A-E控制断面每隔两个测试位置，实测值在-1～1.10 MPa，理论值-1.31～1.52MPa，卸载后读数-0.13～0.11MPa，应变校验系 数0.59～0.85，相 对 残 余 变 形 3.64%～17.14%右幅方面A～C共 6个测试位置， 实测值-0.62～0.74MPa，理论值-0.62～0.90MPa，卸载后读数-0.02～0.04MPa，应变校验系数与相对残余变形分别为0.68～0.82、1.61%～5.41%。同规定值相较，挠度校验系数数值可以看出被测试结构满足要求，与静载挠度测试一致试验荷载作用下同样为弹性工作状态。再次支座沉降方面，经支座沉降测试，当墩顶最大负弯矩时，其支座沉降量是比较小的，如左右两幅空载时两个测点均为0.00，满载时在0.04～0.06。
3.3 动载试验
   动载实验目的主要是为了评价桥梁的动力性能。动载试验测试项目是基于受测试桥梁结构与受力来确定的，如自振动试验主要是测定主梁自振频率并明确阻尼比，强迫振动试验包括无障碍行车试验（无障碍条件下两辆载重汽车以不同速度通过桥跨结构的动力反应情况）、制动试验（两辆车按照不同速度于测试断面紧急制动瞬间的冲击效应）以及跳车试验（设置三角障碍物，车辆以不同速度强行通过的断面动应变冲量）等内容。仪器包括动态信号分析仪、采集仪、信号放大器与加速度传感器等。
3.3.1 自振特性测试结果
   经脉动试验得出桥梁左右幅计算频率均为1.52Hz，实测频率分 别为2.22Hz、2.08Hz，阻尼比别为0.38%、1.32%，可以看出一节振动频率较理论计算值更大，为小阻尼振动，即桥梁整体刚度与相关要求相符合的。
3.3.2 强迫振动试验结果
   根据动力时程曲线获得左幅5～40km/h 动载冲击系数依次为 1.00、1.03、1.06、1.08、1.05，右幅则分别为 1.00、1.04、1.03、1.06、1.04。车速为20 km/h、30 km/h 情况下左幅跳车冲击系数 测试数值分别为1.05、1.06，右幅分别为1.03、1.04。车速1为20 km/h、30 km/h情况下制动冲击系数测试左幅数值分别为1.04、1.07右幅两次数值为1.05、1.06。
3.3.3 结果分析
   随着时间的推移，桥梁结构受动力荷载作用会出现变化，并且其动力响应往往比较复杂，测试涉及的参数并非单一，加之阻尼值等因素的影响，结构动力特性可能会受到干扰，对此需要合理明确动力效应的冲击系数值，本研究根据相关设计规范计算冲击系数。行车冲击系数（计算基于实测应变曲线）左幅介于1.00～1.08，右幅介于1.00～1.06，即 左 右 幅 处 于1.00～1.08，跳车试验冲击系数（结合动挠度时程曲线与动应变实测曲线进行计算）在1.04～1.07，制动冲击系数（结合实测动应变与动挠度的时程曲线进行计算）则在1.03～1.06，上述数值均较规范要求值（1.23）小。
3.4 结论分析
   静载试验所得挠度测点挠度校验系数均在1以内，而左右幅相对残余变形最大值依次为17.14%、5.41%，均未超过规范限值。从分析结果可以看出，静载试验验证了测试控制断面刚度以及强度完全符合相关规范以及设计要求，与I级公路使用要求相符合。动载试验测得自振频率、阻尼系数在要求范围内，而强迫振动试验涉及的无障碍行车、跳车试验以及制动试验所得冲击系数均较规范要求数值小，符合设计标准，可以判定该桥梁结构具有较好的抗冲击能力。
4 结束语
   桥梁在长期使用过程中会受到多种因素影响而出现使用性能下降情况，对此需要通过桥梁检测评估其性能与状态。其中静载试验是一种比较成熟且应用普遍的桥梁检测手段，可为桥梁结构承载能力与使用性能的评定提供精确依据。本研究结合工程实例从静载试验与动载试验两个方面分析总结桥梁荷载试验的具体应用，结果得出相关参数数值均满足规范要求，表明了受测桥梁结构刚度、动力性能等均符合标准，证实了荷载试验在评定桥梁质量与安全性方面的应用价值。
参考文献
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