荷載試驗(yàn)檢測技術(shù)在橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用

尹彬彬 李金濤（北京中交橋宇科技有限公司，北京 100102）

早在20 世紀(jì)50年代，人們就意識(shí)到橋梁安全檢測的重要性，但鑒于當(dāng)時(shí)的檢測手段比較落后，所以在實(shí)際應(yīng)用上一直受到限制。近年來，隨著大跨度橋梁設(shè)計(jì)的輕柔化以及形式功能的日趨復(fù)雜化，橋梁健康檢測評(píng)估顯得越來越重要，成為研究的熱點(diǎn)。橋梁病害問題的越早發(fā)現(xiàn)就能夠大大節(jié)約橋梁的維修費(fèi)用。目前各橋梁養(yǎng)護(hù)部門都在積極研究完善橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)估是其重要的管理手段。

橋梁工作技術(shù)狀態(tài)評(píng)估是對橋梁的安全性、耐久性、適用性、功能性等各種指標(biāo)的綜合評(píng)估工作。其中橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能始終是工程技術(shù)人員最關(guān)系的核心問題，也是橋梁能夠正常服務(wù)于交通需要的根本保證。隨著交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，新的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)思想、施工技術(shù)不斷應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)更加新穎、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的橋梁形式不斷出現(xiàn)，我國橋梁的整體水平不斷提高的同時(shí)，也給橋梁技術(shù)評(píng)估工作提出了更高的要求。

1 橋梁荷載試驗(yàn)

橋梁荷載試驗(yàn)就是在試驗(yàn)的橋梁結(jié)構(gòu)上，以儀器設(shè)備為工具，利用各種試驗(yàn)技術(shù)手段，在試驗(yàn)荷載的作用下，通過測量與結(jié)構(gòu)工作性能有關(guān)各種參數(shù)（變形、撓度、應(yīng)變、振幅、頻率……），從強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性以及結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)來判明建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能，確定結(jié)構(gòu)的承載力，評(píng)估結(jié)構(gòu)對使用要求的符合程度，并用以檢驗(yàn)和發(fā)展結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論。

橋梁荷載試驗(yàn)有靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)之分。

靜載試驗(yàn)是目前應(yīng)用較為廣泛的試驗(yàn)方法，其方法可靠、準(zhǔn)確性高。他通過對橋梁進(jìn)行試驗(yàn)加載模擬橋梁實(shí)際運(yùn)營下可能的荷載狀況或設(shè)計(jì)荷載狀況，來評(píng)定橋梁的承載能力，主要測試靜態(tài)荷載下橋梁的結(jié)構(gòu)性能。

動(dòng)載試驗(yàn)也逐漸被人們應(yīng)用到橋梁承載能力評(píng)定中，它通過模擬橋梁受到的振動(dòng)荷載，得到橋梁的振動(dòng)特性和動(dòng)力響應(yīng)，以此來評(píng)定橋梁的動(dòng)力特性，隨著人們對其研究的深入，橋梁動(dòng)載試驗(yàn)越來越受到人們的重視。

2 荷載試驗(yàn)的主要任務(wù)

對于橋梁安全性能的評(píng)估，最主要是對橋梁承載能力進(jìn)行評(píng)定，近些年來，我國先后開展了“橋梁承載力評(píng)定”等課題的研究，大量舊橋通過承載能力評(píng)定又重新投入了運(yùn)營，為國家節(jié)約的大量的資金。不同橋梁承載能力評(píng)定方法不盡相同，主要應(yīng)包括三方面內(nèi)容：橋梁現(xiàn)狀調(diào)查、承載能力檢算和荷載試驗(yàn)，對于典型橋梁、舊橋、特殊結(jié)構(gòu)橋梁一般均需要進(jìn)行荷載試驗(yàn)來評(píng)定其承載能力。主要應(yīng)用于以下幾類橋梁：

1）新建的大跨徑橋梁，尤其對獨(dú)特設(shè)計(jì)和新的施工工藝、施工材料的新建橋梁實(shí)行驗(yàn)收荷載試驗(yàn)。

2）缺乏設(shè)計(jì)與施工技術(shù)資料的舊橋，或難于采用計(jì)算方法評(píng)定其能否承受預(yù)定的增大荷載的舊橋?qū)嵭需b定荷載試驗(yàn)。

3）運(yùn)營情況較好，要提高其運(yùn)營等級(jí)的橋梁，需進(jìn)行鑒定荷載試驗(yàn)。

4）對設(shè)計(jì)或施工有質(zhì)量問題疑問的橋梁或遭受意外荷載（如荷載撞擊）時(shí)，進(jìn)行鑒定荷載試驗(yàn)。

3 荷載試驗(yàn)主要工作內(nèi)容、步驟及評(píng)定方法

梁結(jié)構(gòu)和在試驗(yàn)大致應(yīng)分為三個(gè)階段：橋梁結(jié)構(gòu)的考察、方案設(shè)計(jì)及準(zhǔn)備工作階段；加載試驗(yàn)與觀測階段；試驗(yàn)結(jié)果的分析與總結(jié)階段。

第一步試驗(yàn)準(zhǔn)備，試驗(yàn)前應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，因?yàn)闃蛄旱暮奢d試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)工作，涉及到的人員、設(shè)備較多，還會(huì)對交通等產(chǎn)生一定的影響，因此為保證荷載試驗(yàn)的順利進(jìn)行，必須進(jìn)行充分的準(zhǔn)備，主要包括資料調(diào)查、現(xiàn)狀情況調(diào)查及材料試驗(yàn)，加載設(shè)計(jì)等工作。

3.1 資料調(diào)查

橋梁的資料調(diào)查應(yīng)該盡可能的周密、細(xì)致、準(zhǔn)確，主要應(yīng)包括：該橋的設(shè)計(jì)資料、竣工資料、維修加固資料以及過去的荷載試驗(yàn)資料等。這里特別要提出的是，對于要進(jìn)行承載能力鑒定的橋梁應(yīng)對其進(jìn)行交通量的調(diào)查，統(tǒng)計(jì)出經(jīng)常通過車輛的車型、載重及交通量，這對于我們評(píng)估橋梁的實(shí)用性和確定試驗(yàn)荷載有很大的幫助。

3.2 現(xiàn)狀情況調(diào)查

橋梁現(xiàn)狀情況調(diào)查是荷載試驗(yàn)前必要的工作，以確定橋梁的各主要承重構(gòu)件是否有較大的損傷，是否影響到橋梁的承載性能，如主梁截面是否受損而使截面減小，鋼筋銹蝕使鋼筋直徑明顯減小等。

3.3 材料試驗(yàn)

對于橋梁相關(guān)資料不全、橋梁經(jīng)過多年運(yùn)營材料性能出現(xiàn)退化或?qū)?shí)際狀況產(chǎn)生懷疑要進(jìn)一步確定橋梁的材料特性時(shí)，需進(jìn)行橋梁材料試驗(yàn)，試驗(yàn)一般采用無損檢測技術(shù)，如利用超聲波對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行鑒定等。

在對橋梁進(jìn)行了充足的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備后方可進(jìn)行荷載試驗(yàn)。

3.4 加載設(shè)計(jì)

3.4.1 測點(diǎn)布置

對于橋梁加載工況和測點(diǎn)布置根據(jù)的橋梁類型不同而不同，但應(yīng)注意的是：在滿足鑒定橋梁承載能力的前提下，加載項(xiàng)目安排應(yīng)抓住重點(diǎn)，不宜過多，一般應(yīng)對其主控截面加載，其中①截面最大應(yīng)力（應(yīng)變）：作為衡量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)；②截面最大撓度：作為衡量結(jié)構(gòu)剛度的指標(biāo)和推定活載橫向分布情況；③裂縫觀測：從安全角度考慮，對可能使裂縫發(fā)生、發(fā)展的主梁跨中截面進(jìn)行裂縫觀測，作為加載控制條件之一。

3.4.2 試驗(yàn)荷載效率

試驗(yàn)荷載與設(shè)計(jì)荷載對橋梁產(chǎn)生效果的比較通過荷載試驗(yàn)加載效率系數(shù)ηq來表示，靜載試驗(yàn)效率采用下式計(jì)算：

式中：Ss—試驗(yàn)荷載作用下控制截面內(nèi)力計(jì)算值；

S—控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計(jì)算值；

μ—沖擊系數(shù)；

一般ηq 值可采用0.8～1.05 之間，當(dāng)橋梁調(diào)查、檢算工作比較完善時(shí)，可采用低限；當(dāng)橋梁的調(diào)查、檢算工作不充分活資料不全時(shí)，取上限。對于一般橋的承載能力鑒定時(shí)，不應(yīng)小于0.95。

3.4.3 試驗(yàn)加載分級(jí)控制

為了加載安全和了解結(jié)構(gòu)應(yīng)變和便尾隨加載內(nèi)里增加的變化關(guān)系，對橋梁主控截面的加載應(yīng)分級(jí)，而且一般安排在開始的幾個(gè)加載程序中執(zhí)行。

第二步進(jìn)行現(xiàn)場檢測，準(zhǔn)備工作就位后，即可進(jìn)行試驗(yàn)，按照事先制訂的試驗(yàn)方案按步驟進(jìn)行，主要應(yīng)包括如下方面：

1）儀器安裝和調(diào)試

按照預(yù)定方案，在應(yīng)變測點(diǎn)和撓度測點(diǎn)分別安裝測試儀器。

試驗(yàn)儀器能否正常工作是試驗(yàn)的成功關(guān)鍵，因此在本次試驗(yàn)前對所有測試儀器、設(shè)備都進(jìn)行了標(biāo)定和調(diào)試，以確保儀器工作正常。

2）車位放樣

按照設(shè)計(jì)加載車位，在現(xiàn)場進(jìn)行測量放樣，并采用噴漆進(jìn)行標(biāo)記。

3）零荷載初讀值

測量、記錄、安全員等全體工作人員進(jìn)入各自崗位，各司其職，整個(gè)測試系統(tǒng)開始啟動(dòng)。在正式加載前進(jìn)行初讀數(shù)。

4）加載

按照預(yù)定加載分級(jí)方案逐級(jí)進(jìn)行加載。由專人指揮加載車輛，按照標(biāo)定位置順序進(jìn)行加載。

5）終止加載控制條件

①控制測點(diǎn)應(yīng)力值達(dá)到或超過用彈性理論按規(guī)范安全條件反算的控制應(yīng)力值；

②控制點(diǎn)變位（或撓度）超過規(guī)范允許值；

③由于加載使裂縫長、寬急劇增加，新裂縫大量出現(xiàn)，縫寬超限裂縫大量增多；

④不正常的響聲，墩臺(tái)是否搖晃，發(fā)生其它損壞情況。

6）穩(wěn)定后讀數(shù)

當(dāng)讀數(shù)波動(dòng)值在測試儀器的精度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)變處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

7）卸載

完成全部加載工況后，加載車退出至橋臺(tái)后10m 處，待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后讀取殘余應(yīng)變值。

8）恢復(fù)交通，拆除儀器。

3.4.4 荷載試驗(yàn)成果分析及評(píng)定

當(dāng)現(xiàn)場全部檢測結(jié)束后，應(yīng)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，然后對荷載試驗(yàn)成果進(jìn)行分析與評(píng)定。一般應(yīng)進(jìn)行如下工作：

1）校驗(yàn)系數(shù)η 評(píng)定

校驗(yàn)系數(shù)一般按下式計(jì)算

η ＝S 實(shí)測/S 理論

試中：S 實(shí)測—試驗(yàn)荷載作用下實(shí)測的變位值；

S 理論—試驗(yàn)荷載作用下理論計(jì)算變位值。

一般情況下在同一荷載下實(shí)測值與理論計(jì)算值應(yīng)接近，η≤1 時(shí)，結(jié)構(gòu)滿足使用要求，η＞1時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況降級(jí)使用，限速限載并進(jìn)行加固或改建。η 值越小，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備越大。

2）實(shí)測值與理論值關(guān)系曲線評(píng)定

由于理論的變位一般按線性變化關(guān)系計(jì)算，所以如果實(shí)測變位與理論值成正比，關(guān)系曲線接近直線，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。

3）殘余變形評(píng)定

實(shí)測殘余變形(Sp)與實(shí)測總變形(Stot)的比值越小結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀態(tài)，一般要求≤0.2。當(dāng)大于0.2 時(shí)，應(yīng)查明原因，確定橋梁強(qiáng)度不足時(shí)，評(píng)定中應(yīng)酌情降低橋梁的承載能力。

4）裂縫評(píng)定

試驗(yàn)荷載作用下裂縫寬度均不應(yīng)超過規(guī)范值的規(guī)定。

5）當(dāng)試驗(yàn)項(xiàng)目較全或有特殊需要時(shí)還應(yīng)對基礎(chǔ)及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)定。

表1 校驗(yàn)系數(shù)表

6）進(jìn)行動(dòng)荷載試驗(yàn)的橋梁進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能評(píng)定。

以上為橋梁評(píng)定的基本方法，例如北京某橋的荷載試驗(yàn)中的校驗(yàn)系數(shù)（見表1 及圖1）。

圖1 四級(jí)撓度曲線

在試驗(yàn)荷載作用下，撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1。滿載時(shí)，撓度校驗(yàn)系數(shù)平均值為0.29，說明該結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下變形情況良好。關(guān)系曲線（見圖2）。

圖2 各級(jí)荷載下?lián)隙汝P(guān)系曲線

可以看出主梁的跨中撓度基本呈線性變化，說明結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好。殘余變見表2

表2 殘余變形數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)中我們得到的殘余變形局小于0.2，結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好。

試驗(yàn)荷載作用下裂縫寬度均未超過規(guī)范值的規(guī)定。進(jìn)行荷載試驗(yàn)及評(píng)定后，最終確定該橋技術(shù)狀態(tài)良好，承載能力滿足要求，進(jìn)行適當(dāng)維修后即可正常使用。

4 荷載試驗(yàn)局限和不足

通過以上實(shí)例我們可以看出，荷載試驗(yàn)對鑒定橋梁實(shí)際承載力，評(píng)估橋梁技術(shù)狀態(tài)起到極其重要的作用，它能夠準(zhǔn)確測試橋梁的實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)下的各種參數(shù)，為橋梁技術(shù)人員提供了大量豐富的實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)這些技術(shù)資料，我們不僅可以更加科學(xué)、合理的管理、使用我們的橋梁設(shè)施，更能夠不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)我們設(shè)計(jì)理論水平的不斷提高，具有很高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

同時(shí)我們應(yīng)看到，雖然橋梁荷載試驗(yàn)?zāi)壳氨粡V泛應(yīng)用，但仍有些問題需要解決。

4.1 靜荷載試驗(yàn)

1）目前橋梁的靜態(tài)荷載試驗(yàn)嚴(yán)格意義上來講仍是一個(gè)短期荷載，不能完全代表長期荷載下的作用，尤其是對鋼結(jié)構(gòu)等具有疲勞破壞特性的結(jié)構(gòu)而言，不能完全反映結(jié)構(gòu)的極限性能、疲勞性能以及耐久性指標(biāo)等對結(jié)構(gòu)承載力的影響。

2）對于橋梁檢算過程中的規(guī)定比較原則，對橋梁檢查中所采集的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行應(yīng)用、系數(shù)定量方面不足。往往根據(jù)現(xiàn)場檢測工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，但這種判斷帶有較大的主觀性，有很引人的經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)得不同產(chǎn)生差異，使檢算結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差，甚至出現(xiàn)相反的判定結(jié)果。

3）荷載試驗(yàn)存在費(fèi)用高、設(shè)備量龐大、對交通影響巨大的缺點(diǎn)。往往由于資金問題，使各管理部門不得不選擇的進(jìn)行此項(xiàng)工作。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

1）首先目前規(guī)范采用的以結(jié)構(gòu)自振頻率或結(jié)構(gòu)位移模態(tài)為基礎(chǔ)的損傷識(shí)別指標(biāo)體系不夠理想。

2）動(dòng)載試驗(yàn)中對結(jié)構(gòu)的定性分析比較容易，但難以對其進(jìn)行定量分析。

3）環(huán)境因素對橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響較大。由于目前動(dòng)載實(shí)驗(yàn)中，所用傳感器對橋梁結(jié)構(gòu)中低頻信號(hào)敏感程度有限，其他干擾因素如風(fēng)載、材料、行走等都會(huì)對其產(chǎn)生一定的干擾，這對我們?nèi)绾螌⒂行ЫY(jié)構(gòu)信號(hào)分離帶來了不少的困難。

4）動(dòng)載試驗(yàn)對橋梁局部問題研究應(yīng)用有限，對用于橋梁整體結(jié)構(gòu)分析。

5）另外還存在不確定因素較多，儀器設(shè)備精度不足等缺點(diǎn)。

5 荷載試驗(yàn)發(fā)展前景

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)的數(shù)字化儀器廣泛應(yīng)用，以及人們經(jīng)驗(yàn)不斷的豐富，理論的提高，和在實(shí)驗(yàn)中的局限正不斷地被克服，起到的作用也越來越廣泛。

1）荷載試驗(yàn)被運(yùn)用到一些疑難問題的處理上，包括結(jié)構(gòu)的局部問題、特殊構(gòu)想受力性能的問題的研究上，取得了很好的效果。

2）目前針對不中斷交通，通過運(yùn)營車輛進(jìn)行長期信號(hào)監(jiān)測進(jìn)行承載力評(píng)價(jià)的研究正在進(jìn)行中，這將會(huì)使荷載試驗(yàn)對交通的影響程度降到最低。

3）荷載試驗(yàn)技術(shù)的不斷成熟、規(guī)范，檢測人員在實(shí)際工作中遵循的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)相對統(tǒng)一，減少人為因素，使其在橋梁技術(shù)狀況評(píng)估中竟更加有針對性和可操作性。

4）更加輕便、靈活、耐用的檢測儀器不斷涌現(xiàn)，使檢測工作的設(shè)備投入、人員投入減少，工作簡單化，從而減小了荷載試驗(yàn)的費(fèi)用。

5）動(dòng)荷載試驗(yàn)作為對橋梁整體性能的研究，對我們研究動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)理論有重要作用。另外動(dòng)態(tài)測試在橋梁健康狀況的長期監(jiān)測上也有明顯的優(yōu)勢。

相信不久更加成熟、規(guī)范的荷載試驗(yàn)技術(shù)將在橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)估工作中取得越來越重要的作用。

[1]交通部，《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》JTG H11-2004，北京，人民交通出版社，2004，10-11

[2]交通部公路所《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》（報(bào)批稿）北京，人民交通出版社 2008,72-90