公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)在橋梁養(yǎng)護(hù)中的作用分析

楊帥

（山東恒建工程檢測(cè)有限公司，山東 濰坊 261057）

1 引言

在交通事業(yè)高速度發(fā)展進(jìn)程中，橋梁作為交通樞紐的作用日益顯著，且已成為多數(shù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的紐帶。在橋梁運(yùn)作過程中，養(yǎng)護(hù)作業(yè)至關(guān)重要，直接影響了橋梁運(yùn)作的安全平穩(wěn)性。而公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)是橋梁養(yǎng)護(hù)策略制定與實(shí)施的依據(jù)，可以為橋梁養(yǎng)護(hù)作業(yè)有針對(duì)性、高效率地開展提供幫助。因此，從橋梁養(yǎng)護(hù)層面出發(fā)，探究公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)手段具有非常重要的意義。

2 公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)在橋梁養(yǎng)護(hù)中的作用

2.1 保證橋梁養(yǎng)護(hù)作業(yè)及時(shí)開展

在公路橋梁車輛超限運(yùn)輸（公路運(yùn)輸車輛軸載重量及總質(zhì)量超出限值標(biāo)準(zhǔn)）以及結(jié)構(gòu)所處外界環(huán)境惡劣的影響下，公路橋梁老化加速態(tài)勢(shì)日趨明顯，混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕、混凝土與鋼筋之間結(jié)合緊密度下降等問題持續(xù)出現(xiàn)，不可避免地會(huì)導(dǎo)致公路橋梁結(jié)構(gòu)安全承載力下降[1]。而公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)可以對(duì)公路橋梁負(fù)荷日趨加重節(jié)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)既有公路橋梁的損傷趨勢(shì)，及時(shí)進(jìn)行橋梁養(yǎng)護(hù)作業(yè)，避免公路橋梁出現(xiàn)不可控的結(jié)構(gòu)損壞。

2.2 提高橋梁養(yǎng)護(hù)方案制訂的科學(xué)性

由于公路橋梁養(yǎng)護(hù)人員的養(yǎng)護(hù)理論與認(rèn)識(shí)的不足，為養(yǎng)護(hù)作業(yè)實(shí)踐埋下了隱患。而公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)可以以具體的最大動(dòng)撓度、應(yīng)變量數(shù)據(jù)以及直觀發(fā)展曲線呈現(xiàn)連續(xù)鋼構(gòu)橋跨中下?lián)狭芽p等質(zhì)量通病產(chǎn)生的原因，提高縱向預(yù)應(yīng)力筋、豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力[2]，同時(shí)，驗(yàn)證公路橋梁新結(jié)構(gòu)、新材料、新設(shè)計(jì)理論方法的合理性，為橋梁養(yǎng)護(hù)方案的科學(xué)制訂提供依據(jù)。

3 橋梁養(yǎng)護(hù)中公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)常用方法

3.1 靜載試驗(yàn)檢測(cè)法

靜載試驗(yàn)檢測(cè)法主要是以公路橋梁為對(duì)象施加一定的靜力載荷，通過觀察公路橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形量，判定公路橋梁的受力特性。進(jìn)而通過采用與前期一致的措施得到的理論值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，明確公路橋梁運(yùn)行階段的承載情況[3]。一般在試驗(yàn)效率達(dá)成的基礎(chǔ)上，依據(jù)加載車輛最少且結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)效率最大的原則，進(jìn)行加載位置、加載車總量的設(shè)置，以便壓縮試驗(yàn)時(shí)間、提高試驗(yàn)效率，選擇經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、電阻應(yīng)變儀、等儀器，以及GPS測(cè)量系統(tǒng)，以及進(jìn)行橋梁撓度、應(yīng)變量等指標(biāo)的測(cè)量。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)法

動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)法主要是模擬施加車輛通行、自然環(huán)境等外力因素，判定外力沖擊、共振作用下的公路橋梁的結(jié)構(gòu)特征與內(nèi)部性能，并第一時(shí)間獲知公路橋梁承載問題，及時(shí)養(yǎng)護(hù)，保證公路橋梁運(yùn)行的安全平穩(wěn)性[4]。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試過程中，工作人員可以選擇信號(hào)放大器、拾振器、光線示波器、數(shù)字信號(hào)處理機(jī)、磁電式速度傳感器等儀器或電磁式測(cè)試系統(tǒng)、壓電式測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)脈動(dòng)試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)程序進(jìn)行測(cè)試。一般根據(jù)公路橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)，需要選擇不同類型的測(cè)試儀器。比如，對(duì)于自振頻率超過1.00 Hz的中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)，可以選擇性能穩(wěn)定、使用便捷、靈敏高效的磁電式測(cè)試系統(tǒng)；而對(duì)于自身頻率低于或等于1.00 Hz的大跨徑橋梁、連續(xù)鋼構(gòu)橋，則可以選擇壓電式測(cè)試系統(tǒng)。

4 公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)案例

4.1 案例

某試驗(yàn)橋梁右幅全長(zhǎng)為245.62 m，右幅起止點(diǎn)樁號(hào)為K5+213.21~K5+458.83，橋梁左幅全長(zhǎng)為168.95 m，寬度為19.18 m（5.80 m人行道+11.58 m車行道+1.8 m中央分隔帶），左幅起止點(diǎn)樁號(hào)為K5+289.88~K5+458.83。橋梁縱坡為2.86%，位于半徑約為1 458.00 m的右偏圓曲線段坡（豎曲線坡長(zhǎng)為1 025.69 m）上。橋梁上部結(jié)構(gòu)為等截面普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁與變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)、等截面普通鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁，下部結(jié)構(gòu)為空心薄壁墩（主橋橋墩）+雙柱墩（引橋與分聯(lián)墩）+重力式U形橋臺(tái)。橋面鋪裝表層為SMA-13細(xì)粒式SBS改性瀝青混凝土，厚度為7.00 cm，中間層為AMP-100防水層，基礎(chǔ)層為C50聚丙乙烯纖維混凝土，厚度為10.00 cm。整個(gè)橋梁設(shè)計(jì)載荷為城-A級(jí)，人群載荷為3.50 kN/m2。

4.2 檢測(cè)過程

應(yīng)用靜載試驗(yàn)檢測(cè)法時(shí)，需要事先標(biāo)定加載車輛的單軸軸重、前后軸車軸間距、車輛總重量。選擇溫度變化對(duì)試驗(yàn)影響較小的夜間進(jìn)行檢測(cè)，向測(cè)試截面每片梁底粘貼2個(gè)應(yīng)變片，同時(shí)，在馬蹄部、梁頂部、T梁分別粘貼1個(gè)、1個(gè)、4個(gè)應(yīng)變片。并利用吊表法在測(cè)試截面每片梁底安裝1個(gè)撓度百分表，讀取各測(cè)點(diǎn)初始讀數(shù)，按照試驗(yàn)計(jì)算最大加載重量的0.2~0.3倍對(duì)橋梁試驗(yàn)跨1/2截面進(jìn)行預(yù)加載，同時(shí)，全方位檢查加載安全、儀器儀表、試驗(yàn)人員準(zhǔn)備以及應(yīng)變片的情況。在預(yù)加載完畢后，分別在偏載加載（6級(jí)加載）、孔跨中截面對(duì)稱加載（4級(jí)加載）工況下，事先準(zhǔn)備4輛質(zhì)量為40.00 t的加載車輛，檢驗(yàn)橋梁中梁1/2縱向截面抵抗荷載產(chǎn)生的抗彎剛度和最大正彎矩。一般在前一級(jí)荷載下結(jié)構(gòu)變位相對(duì)穩(wěn)定后方可開展下一級(jí)荷載加載，加卸載穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)在0.50 h以上，并在每次加載完畢且結(jié)構(gòu)變位相對(duì)穩(wěn)定后讀數(shù)，待橋梁主梁變位處于基本穩(wěn)定狀態(tài)后開始下一個(gè)級(jí)別的荷載加載讀數(shù)。必要情況下，也可以將試驗(yàn)橋梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、撓度校驗(yàn)系數(shù)分別與同類橋梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、撓度校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，判定結(jié)構(gòu)變位及應(yīng)變是否出現(xiàn)不穩(wěn)定變化。

應(yīng)用動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)法時(shí)，需要分別開展脈動(dòng)試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)及剎車試驗(yàn)。

1）在脈動(dòng)試驗(yàn)過程中，需要在確保試驗(yàn)橋梁表面無交通荷載（行人、車輛）且周邊無規(guī)則振動(dòng)源的前提下，依托橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)橋梁所處位置因隨機(jī)載荷激振而出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)細(xì)微小水平振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程，如風(fēng)力載荷、地表脈動(dòng)、水流載荷等，對(duì)結(jié)構(gòu)脈動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行剖析，獲得試驗(yàn)橋梁自振頻率。

2）在跳車試驗(yàn)開展過程中，需要事先準(zhǔn)備1輛質(zhì)量為30.00 t的試驗(yàn)車，在試驗(yàn)橋梁主橋跨中位置下落后輪并墊設(shè)方木，方木厚度為0.15 m。利用試驗(yàn)車輛后輪下落對(duì)橋梁所產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊以及引發(fā)的橋梁上下振動(dòng)，獲得橋梁梁部縱向1/2截面位置的動(dòng)撓度最大值以及對(duì)應(yīng)的激振頻率。

3）跑車試驗(yàn)時(shí)，需要事先準(zhǔn)備1輛或2輛質(zhì)量為30.00 t的試驗(yàn)車輛，指揮試驗(yàn)車輛分別以15.00 km/h、20.00 km/h、25.00 km/h、30.00 km/h、35.00 km/h的速度均勻駛過試驗(yàn)橋梁，在不同速度下，車輛行駛速度激發(fā)激振力、試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率處于相同或相近水平時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)值也可以達(dá)到最高水平。

4）剎車試驗(yàn)時(shí)，需要事先準(zhǔn)備1輛質(zhì)量為30.00 t的車輛，以20.00 km/h的速度勻速行駛到試驗(yàn)橋梁1/2橫向截面位置后緊急剎車，利用試驗(yàn)車緊急剎車對(duì)橋梁的沖擊作用，在DH5922橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)以及配套的動(dòng)態(tài)傳感器中，獲得試驗(yàn)橋梁所布設(shè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)撓度最大信號(hào)以及振動(dòng)時(shí)程曲線，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理軟件再次處理后，可以得到試驗(yàn)橋梁的系統(tǒng)自身頻率、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)結(jié)果、沖擊系數(shù)等數(shù)值。

4.3 檢測(cè)結(jié)果

靜載撓度、應(yīng)變實(shí)測(cè)值見表1。

表1 靜載撓度、應(yīng)變實(shí)測(cè)值（均值）

由表1可知，在偏載加載、孔跨中截面對(duì)稱加載下，撓度校驗(yàn)系數(shù)（均值）分別為0.403、0.398，較同類別橋梁偏小，表明試驗(yàn)橋梁具有較大的剛度以及較強(qiáng)的抵抗變形能力；而應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)（均值）分別為0.890、1.038，稍大于同類橋梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)常值，表明在當(dāng)前運(yùn)行過程中，試驗(yàn)橋梁承載能力已經(jīng)出現(xiàn)了一定幅度的下滑，雖然具有良好的承載能力，但仍需制訂、實(shí)施基于應(yīng)變承載的養(yǎng)護(hù)方案。

試驗(yàn)橋梁在跳車、剎車、脈動(dòng)、跑車試驗(yàn)工況下，主要測(cè)試截面最大動(dòng)撓度均沒有超出JTG/T J21—2017《公路橋梁承載能力檢驗(yàn)評(píng)定規(guī)程》的規(guī)定限值，下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)主梁相對(duì)殘余應(yīng)變均在20.00%以下，表明試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與設(shè)計(jì)要求偏差不大，安全儲(chǔ)備足夠，上部主流處于彈性工作狀態(tài)，暫不需進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。同時(shí)，分析動(dòng)載測(cè)試數(shù)據(jù)（見表2），該橋跨結(jié)構(gòu)在15.00 km/h、20.00 km/h、25.00 km/h、30.00 km/h、35.00 km/h的速度下，測(cè)得的自振頻率超出了計(jì)算數(shù)值，表明試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度超出了設(shè)計(jì)剛度，且具有足夠的安全儲(chǔ)備，運(yùn)行狀態(tài)良好，機(jī)動(dòng)車行駛時(shí)不會(huì)導(dǎo)致主梁出現(xiàn)危及結(jié)構(gòu)安全的共振，不需額外養(yǎng)護(hù)。

表2 動(dòng)載檢測(cè)結(jié)果（均值）

5 結(jié)語

綜上所述，以公路橋梁為對(duì)象的荷載試驗(yàn)檢測(cè)是一種應(yīng)用頻率較高且富有效力的橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)，不僅可以幫助橋梁養(yǎng)護(hù)決策者明確橋梁當(dāng)前的承載能力，還可以為新的養(yǎng)護(hù)理論、養(yǎng)護(hù)工藝的變化更新與應(yīng)用提供直觀、有價(jià)值的實(shí)踐資料。因此，在橋梁養(yǎng)護(hù)作業(yè)開展過程中，根據(jù)橋型、外界工作條件差異，可以選擇不同的公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)儀器、方法，以便為橋梁養(yǎng)護(hù)工作開展提供建議和指導(dǎo)。