城市中小跨徑橋梁靜載試驗撓度測量方法及效率研究

郭 晗，高 新

（北京市建設工程質(zhì)量第三檢測所有限責任公司，北京 100037）

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國公路建設進入大發(fā)展階段，我國依靠自己的技術和力量，建成了多座技術含量高、施工難度大的橋梁，標志著我國已躋身于世界先進行列，截至2018年，我國公路總里程已達477萬km，高速公路總里程超過了14萬km，我國現(xiàn)有各類橋梁約80萬座，每年開工建設的橋梁約3萬座。這些大量新建橋梁，檢驗其施工質(zhì)量最有效、最直接的辦法是進行荷載試驗。同時20世紀70年代以前修建的大量低標準橋梁已經(jīng)達到或接近設計基準期，在各種不利因素的長期影響下，橋梁結構性能可能發(fā)生了變化，有些橋梁已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的損傷，其承載能力已大大降低甚至逐漸演變成危橋，這些服役幾十年的橋梁能否繼續(xù)使用已成為管理決策部門關注的一件大事，不斷增加的交通荷載加劇了橋梁結構的負擔，眾多橋梁亟待得到結構性能評定，而橋梁荷載試驗是評定橋梁結構性能的重要方法。

橋梁的撓度是橋梁安全狀況評價的主要參數(shù)，它直接反映橋梁結構的豎向整體剛度、承載能力和抵御地震等動荷載的能力，從撓度動態(tài)數(shù)值分析中可以得出荷載的沖擊系數(shù)和結構內(nèi)力分布狀態(tài)，判斷橋梁的薄弱部位及結構的整體性，在橋梁鑒定、危橋改造和新橋驗收等方面都需要準確測量橋梁的撓度值。中小跨徑橋梁剛度大、荷載小，活荷載作用下的撓度小，所以對撓度測量的精度要求也高，雖然工程技術人員對以上儀器和方法的特點大都有定性的認識，但到目前為止，對各種水準測量方法定量的誤差分析還較少。因此本文通過分析各種撓度測量的優(yōu)缺點，并以北京市房山生產(chǎn)橋為例，繪制不同方法測得撓度的各種關系曲線、估算其測量精度，以此選擇最經(jīng)濟、可靠的試驗方法。

1 撓度測量方法優(yōu)缺點

目前橋梁荷載試驗中測量撓度的儀器主要分為機械式和光電式。機械式主要有百分表、千分表、撓度計等；電子式有電阻式位移計和應變式位移計；光學儀器主要是水準儀和全站儀。

1）機械式儀表安裝方便、測量精度高、對環(huán)境適應性強、工作直觀可靠、可重復使用，但靈敏度相對較低，使用時需搭設支架，不便于遠距離操控，并難以自動量測和記錄。

2）連通管法操作簡單、數(shù)據(jù)可靠、無累積誤差、受環(huán)境影響小、測量速度快，可與自動化采集系統(tǒng)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，但精度較低且對測量人員的操作水平要求較高。

3）電測位移計精度高、數(shù)據(jù)采集方便，與自動化采集系統(tǒng)連接可實現(xiàn)自動采集，采集時間短，但橋下也需搭設支架，具有一定的現(xiàn)場局限性。

4）精密水準儀原理簡單、精度較高，不需要搭設支架，但測試距離有限，且對現(xiàn)場通視條件和觀測者的業(yè)務水平要求較高。精密水準儀測量分為無基點水準法和有基點水準法，前者在測量時不需要參考點，效率較高。

5）全站儀自動化程度高、測距遠、測量時間短，不需要搭設支架，但是精度較低，僅適用于大跨徑橋梁。

2 案例分析

2.1 工程概況

北京市房山區(qū)生產(chǎn)橋橋梁全長96.06m，寬6.2m。上部結構為3跨后張法預應力混凝土簡支T梁，跨徑組合為25.0m＋40.0m＋25.0m，單跨橫向4片梁，預制中梁寬1.6m，邊梁寬1.4m。基礎為擴大基礎，橋臺處采用GQF-C-60型伸縮縫，全橋共2道；板式橡膠支座。

橋梁設計標準:[1]汽車荷載:公路-II級；[2]地震烈度為Ⅷ度，地震峰值加速度為0.20g。

2.2 試驗設計

本次試驗采用等精度觀測，保證同樣技術的人員采用同等精度的儀器，并在同等外界環(huán)境下觀測，最大限度保證測量條件一致性。

由于全站儀的測量精度較低，對于中小跨徑橋梁撓度測量一般不能滿足精度要求，本次采用精密水準儀和百分表2種方式對橋梁撓度進行觀測，其中水準觀測包括無基點及有基點觀測2種方法，由于百分表測量精度較高，把其測量值作為約定真值，則可估算出2種水準測量的精度。

2.3 撓度測點設置

本次試驗設置與梁底位移傳感器位置一一對應的橋面水準觀測點，進行有基點和無基點水準觀測法測量精度比較（N1對應Q2、N2對應Q4、N3對應Q5、N4對應Q6）。位移傳感器布置在每片梁底的中心位置處；水準觀測點布置在距離人行道邊緣0.1m的橋面位置處，每隔1.6m再布置3個測點，并在梁端各布置1個測點進行支點沉降的修正，測點布置如圖1，2所示。

圖1 橋梁撓度測點橫斷面布置 （單位:cm）

圖2 橋面測點平面布置 （單位:cm）

2.4 撓度測量結果

2.4.1 撓度隨荷載增長的變化關系

由于百分表測量精度較高，本次以百分表的測量值假定為真值，選取控制截面撓度最大測點N1及對應位置處橋面測點Q2的測量數(shù)據(jù)進行對比，估算出測量精度，判斷有基點觀測和無基點觀測2種方法的測量精度。由本次測量值分析，無基點和有基點水準測量精度分別為±0.116mm和±0.168mm，無基點水準測量精度約為有基點水準測量精度的2倍。撓度實測值和計算值如表1所示。

繪制實測撓度隨試驗荷載增長的線性關系曲線，如圖3所示。由圖3可見，3條測量撓度曲線隨荷載增長的線性相關性較好，其中無基點撓度測量結果與百分表測量值一致性更強。

2.4.2 撓度沿橫向分布

同理假定百分表的測量值為真值，估算沿橫向各測點的測量精度，再次驗證2種水準測量方法的精度情況。采用無基點水準測量時，Q4點被加載車遮擋，不滿足通視條件，無法測量。通過本次試驗測量結果估算，無基準點（計算其余3個測點）和有基準點的精度分別為0.104mm和0.195mm，基本與跨中撓度隨加載增長結果一致。數(shù)據(jù)如表2所示。

各測試方法的撓度橫向分布趨勢與計算值基本一致，無基點水準測量較有基點水準測量與百分表測試結果更接近，無基點水準測量精度更高，但試驗也明確反映出無水準測量對通視條件的要求高。各測試方法撓度沿橫向分布如圖4所示。

表1 各級荷載作用下控制截面撓度實測值和計算值 mm

圖3 各方法控制截面測點撓度隨荷載增長關系曲線

表2 滿載作用下各測點撓度實測值和計算值

圖4 各方法測點撓度沿橫向分布曲線

2.4.3 對比分析

在橋梁跨徑很小的情況下，精密水準測量結果與百分表的測量結果比較吻合，檢測數(shù)據(jù)均呈一定的規(guī)律變換，與理論計算撓度的變化趨勢一致。本次無基點和有基點的水準測量值與約定真值（百分表測量值）的偏差均未超過±0.250mm，無基點水準測量精度約為有基點水準測量精度的2倍。在有條件的情況下使用無基點水準測量可提高撓度測量精度。

3 結語

中小跨徑橋梁跨徑小、剛度大、撓度小，所以對儀器精度要求高。全站儀和一些自動化測試儀器雖然自動化程度高，但精度很難達到要求，在中小跨徑橋梁撓度測量中不適用。百分表、撓度計等機械儀表精度高，但環(huán)境穩(wěn)定性較差，需要搭設穩(wěn)定支架，并且不能自動傳輸數(shù)據(jù)，但在測試時間充足且能搭設穩(wěn)定支架的情況下，采用機械儀表可較好地保證測量精度。電測位移計較機械儀表更穩(wěn)定、可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，但仍需橋下搭設穩(wěn)定的支架，在條件允許的情況下，可優(yōu)先選用此方法。水準測量的精度雖然低于前述儀表，但也能滿足測量要求，其中無基點測量法不需要靜止參考點，可大大提高測量效率，而且測量精度也比有基點測量法高，但要求通視條件好。各種撓度測量方法各有優(yōu)缺點，且有不同的適用條件，因此在工程應用中，需根據(jù)實際橋型特點綜合考慮各種因素，選用適合的網(wǎng)點布設和觀測方法，以達到事半功倍的效果。