動靜荷載試驗在橋梁檢測中的應(yīng)用

江西省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院有限公司/俞文彬 劉炎

橋梁是交通樞紐中重要的組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)的安全關(guān)乎著每一個公民的人身財產(chǎn)安全，因此，對橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的準(zhǔn)確判斷顯得尤為重要，然而，經(jīng)常性檢查、定期檢查等常規(guī)性檢查往往很難發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)中的隱蔽缺陷，恰好荷載試驗可以實現(xiàn)。隨著計算機(jī)和高靈敏低功耗傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展，荷載試驗在實際工程中的應(yīng)用更加普遍和成熟，橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求，運(yùn)營橋梁的實際工作狀態(tài)和實際承載能力是否符合安全適用要求都可以通過荷載試驗來準(zhǔn)確掌握，相比于靜荷載試驗，動荷載試驗具有方便易行、快速和低成本等特點，是橋梁檢測技術(shù)的研究和發(fā)展方向。

一、橋梁工程概況

某橋梁總長為155m，由不同時期建造的兩橋并列組成，兩座橋梁間距3.35m，跨徑相同，且均采用簡支梁結(jié)構(gòu)。兩橋采用雙柱式鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和雙柱式加蓋梁墩、臺，因不同時期建造，上游橋墩直徑0.8m，下游橋墩直徑1.0m；橋梁道路設(shè)計為雙向四車道，雙向車道寬7.0m和9.0m，橋梁中央隔離帶寬3.35m，南北兩側(cè)人行道寬1.0m和0.7m。經(jīng)調(diào)查，本橋結(jié)構(gòu)已嚴(yán)重?fù)p壞，初步判斷為危橋?，F(xiàn)根據(jù)本橋的實際情況，對上游橋的橋梁進(jìn)行動靜荷載試驗并進(jìn)行分析。

二、荷載試驗檢測技術(shù)要求

(1)所檢橋梁試驗跨上、下部工程混凝土強(qiáng)度均采用回彈儀或超聲波進(jìn)行檢測。

(2)按照規(guī)定，對橋梁試驗跨進(jìn)行全面細(xì)致的外觀檢查，檢測報告中應(yīng)分類詳細(xì)列表寫明存在的各種質(zhì)量缺陷(如裂縫、掉塊、露筋等)，標(biāo)明位置并計算缺陷占總面積的比例，缺陷嚴(yán)重部位應(yīng)附有照片說明。

(3)通過靜載、動載試驗，判斷橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力，評價其在設(shè)計使用荷載下的工作性能。

(4)檢測報告對存在的質(zhì)量問題中應(yīng)客觀明確指出，寫明是否存在影響結(jié)構(gòu)安全的嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，特別應(yīng)說明主要受力結(jié)構(gòu)是否需要或進(jìn)行過加固和補(bǔ)強(qiáng)。

三、橋梁荷載試驗的意義

（一）保障橋梁運(yùn)營安全，延長剩余使用壽命

（1）隨著交通量和車輛軸載的不斷提高，早期修建的公路橋梁常年處于超負(fù)荷運(yùn)營狀態(tài)，老舊橋梁在反復(fù)疲勞荷載和復(fù)雜外界環(huán)境的綜合、持續(xù)作用下，橋梁各項機(jī)能均處于不斷劣化和下降趨勢，一旦外部作用力突破橋梁承載極限，將給公路的正常通行埋下重大安全隱患；因此，針對老舊橋梁開展定期檢測，不僅可以動態(tài)掌握橋梁的真實運(yùn)營工況，而且能夠第一時間發(fā)現(xiàn)橋梁存在的主要問題，對于保障橋梁運(yùn)營安全具有重要“兜底”作用。

（2）除保障運(yùn)營安全外，定期開展橋梁試驗檢測，從而有序、合理地開展養(yǎng)護(hù)加固處治，能夠極大地延長橋梁的剩余使用壽命，對于助推公路橋梁向低碳可持續(xù)方向發(fā)展具有重要意義；大量橋梁養(yǎng)護(hù)加固施工案例表明，第一時間開展主動、有效的橋梁外觀養(yǎng)護(hù)和結(jié)構(gòu)加固工作，在考慮大交通量和車輛超載條件下，至少可以保障橋梁達(dá)到設(shè)計服役壽命，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)三類及以上橋梁的超期服役目標(biāo)。

（二）依托荷載試驗數(shù)據(jù)，提高養(yǎng)護(hù)加固的精準(zhǔn)性和科學(xué)性

（1）廣義上的橋梁養(yǎng)護(hù)包括外觀修復(fù)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固兩部分，外觀修復(fù)主要以恢復(fù)橋梁外觀，提高橋梁行車舒適性為目的，使用的養(yǎng)護(hù)技術(shù)也相對簡單，主要包括：裂縫封閉填充、局部鑿除灌注等，外觀修復(fù)對橋梁結(jié)構(gòu)受力及應(yīng)力響應(yīng)的影響基本可以忽略；結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和加固是提高橋梁結(jié)構(gòu)承載能力和截面抗變形剛度的重要措施，以T梁為例，T梁翼緣板、腹板底部、梁肋板及橫隔梁是最常見的薄弱區(qū)域，如何確定加固補(bǔ)強(qiáng)時機(jī)及加固補(bǔ)強(qiáng)位置必須根據(jù)裸橋的荷載應(yīng)力響應(yīng)確定，因此，開展荷載試驗是制定結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)方案的重要前提。

（2）開展全面、系統(tǒng)的橋梁荷載試驗檢測，也是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固方案優(yōu)化的唯一途徑，目前應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的技術(shù)門類眾多，常用的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)包括：粘鋼加固法、粘貼碳纖維加固法、增大截面法、體外預(yù)應(yīng)力法等，如何遴選最佳的加固補(bǔ)強(qiáng)方案，以實現(xiàn)橋梁精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)目的是未來橋梁養(yǎng)護(hù)加固行業(yè)的發(fā)展趨勢；而獲取真實、客觀的橋梁動靜載試驗數(shù)據(jù)，掌握橋梁在各種荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變、撓度等參數(shù)的變化規(guī)律是開展精準(zhǔn)加固補(bǔ)強(qiáng)的基礎(chǔ)。

四、動靜荷載試驗在橋梁檢測中的應(yīng)用措施

（一）荷載試驗系數(shù)分布

（1）根據(jù)現(xiàn)場采樣數(shù)值編制計算方案。（2）對跨中截面參照彈性連續(xù)梁的計算方法進(jìn)行計算。（3）結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計包括汽車和人群，分別為汽車—15級和人群3kN/m2。荷載試驗相關(guān)系數(shù)如下：1號梁相關(guān)系數(shù)：汽車荷載系數(shù)為0.47、人群荷載分布系數(shù)為0.713；2號梁相關(guān)系數(shù)：汽車荷載系數(shù)為0.476、人群荷載分布系數(shù)0.457；3號梁相關(guān)系數(shù)：汽車荷載系數(shù)為0.4、人群荷載分布系數(shù)為0.2。

（二）靜載試驗

1.初始狀況調(diào)查

靜載試驗前需做好準(zhǔn)備工作，全面檢查橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，分析其是否存在漏筋、破損等問題，同時檢驗支座的使用狀況。

2.成橋線形測量

為保證靜載試驗結(jié)果的可靠性，需測量橋面的完整線形，檢查條件為現(xiàn)場溫度穩(wěn)定且不存在荷載作用。

3.靜載試驗內(nèi)容及方法

（1）布置控制截面。主梁活載正彎矩控制截面為A-A截面、C-C截面，負(fù)彎矩控制截面為B-B截面。試驗期間加強(qiáng)對各控制截面的檢測，同時測量主梁，掌握其在各階段的變形情況。

（2）布置撓度測點。撓度測點布置在兩側(cè)的防撞護(hù)欄處較為合適，共布置34個測點。

（3）布置應(yīng)變點。設(shè)置A、B、C共3個截面，根據(jù)具體情況布設(shè)合適數(shù)量的應(yīng)變測點，分別為A截面20個、B截面23個、C截面20個。

（4）觀測裂縫。在正式試驗前組織觀測，分析裂縫的具體情況，重點關(guān)注對象為合龍段頂板處的縱向裂縫。

（三）橋梁的阻尼比和自振頻率

采用自譜分析方法得出橋梁自身動力性能。當(dāng)載重汽車的行駛速度分別為20km/h、40km/h時進(jìn)行時域波形與自譜分析。基于脈動條件，橋梁自振頻率范圍為：2.483Hz～3.422Hz時，對應(yīng)的阻尼比范圍為0.036～0.111；基于車載條件，自振頻率的主要成分位于3.5Hz附近時，阻尼比為0.0123左右。由相關(guān)規(guī)范數(shù)據(jù)的測算，本橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率約為10.31Hz，但試驗測試值小于計算值；橋梁實際阻尼比為0.121，超出0.01～0.08的正常范圍。橋梁的實測頻率小于計算頻率，因此橋梁剛度相對較差。

（四）行車試驗

1.無阻礙行車試驗

以橋面無任何障礙物為基本前提，試驗設(shè)備為2輛40t的重載汽車，行駛速度控制在10～50km/h。在此條件下開展試驗，根據(jù)測定結(jié)果對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)情況作出判斷。動擾度測點統(tǒng)一布設(shè)在中跨A-A橋面截面位置，采用高精度的撓度儀檢測動撓度，再根據(jù)所得結(jié)果分析沖擊系數(shù)。分析試驗結(jié)果可知，動力系數(shù)實測值普遍集中在1.015～1.028，略小于規(guī)范中的沖擊系數(shù)值。

2.有阻礙行車試驗

鑒于橋面存在阻礙的情況，應(yīng)模擬橋面的不平整狀態(tài)，在中跨A-A截面布設(shè)厚度為7cm的弓形模板，將該部分裝置視為橋面障礙，在此條件下開展有障礙行車試驗。試驗車輛為2輛40t重載汽車，全程行駛速度控制在10～30km/h，在發(fā)生行車荷載動力響應(yīng)后及時檢測橋面結(jié)構(gòu)。實測結(jié)果表明，動力系數(shù)普遍為1.06～1.153。

通過對有無障礙行車試驗結(jié)果的分析可知，若行車速度保持一致，則有障礙行車試驗得到的沖擊系數(shù)實測值更大，而無障礙行車試驗所得的結(jié)果相對偏小，這意味著車輛在不平整的橋面處通行將形成較強(qiáng)烈的沖擊作用。試驗結(jié)果表明，橋梁的各項關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)均得到有效控制，滿足規(guī)范要求，根據(jù)實測結(jié)果繪制的曲線精準(zhǔn)度較高，與理論分析結(jié)果相比僅存在微小差異，差異在許可范圍內(nèi)；試驗全過程中橋梁結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)受力裂縫，既有裂縫也無明顯的發(fā)展趨勢，裂縫病害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響較為微弱?？傮w來看，橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。

（五）橋梁動靜荷載試驗結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范，本橋?qū)嶋H承載力已經(jīng)遠(yuǎn)低于設(shè)計值。橋跨的主體結(jié)構(gòu)承載力已經(jīng)遠(yuǎn)低于荷載的設(shè)計值，在特殊情況下橋梁的混凝土已無法受力，只有工字梁單獨受力。

（2）因工字梁腹板較小，橋梁主梁的支點截面承載力已經(jīng)無法達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，橋梁若繼續(xù)運(yùn)營將會產(chǎn)生十分嚴(yán)重后果。

（3）根據(jù)2004年提出的所有運(yùn)營公路必須滿足Ⅱ級荷載要求，本橋無法達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，故認(rèn)定為危橋。

結(jié)論

橋梁動靜荷載試驗技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在道路橋梁質(zhì)量檢測方面應(yīng)用較多。已經(jīng)成為現(xiàn)階段橋梁檢測試驗的主流方法，并影響著橋梁性能和壽命周期等綜合評價，不僅可以科學(xué)有效的鑒定建成道路橋梁承載力，還可以為舊橋安全使用與修復(fù)提供技術(shù)指導(dǎo)。