公路橋梁檢測中荷載試驗的應用研究

孫藝恒

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引言

一般公路橋梁本身在經(jīng)過長期使用之后，公路自身的橋梁承載能力以及相應結構的穩(wěn)定性也會出現(xiàn)一定程度的變化，這些變化會使橋梁的質量以及橋梁自身的承載能力全面降低。如果公路橋梁的承載能力下降到了一定的程度，還未采取相應的措施就會出現(xiàn)一些安全隱患。因此，需要對已經(jīng)在使用過程中的公路橋梁的承載能力進行定期的檢測，在新建公路橋梁過程中以及投入使用前也需要進行相應的檢測，從而保證公路橋梁的質量。公路橋梁的質量和承載能力具有密切的聯(lián)系，直接關系群眾生命財產(chǎn)的安全。

1 公路橋梁的基本類型

按結構體系來分，公路橋梁工程主要包括斜拉橋、鋼架橋、梁式橋等。當前，在部分公路橋梁工程的施工中，用得最多的材料是鋼筋和混凝土，如果是景區(qū)橋梁工程的話，占比較大的是石板橋梁、土質橋梁等工程類型。對于公路橋梁工程的建設設計，首先我們要深入了解不同類型橋梁工程的特點和建設重點。施工材料消耗小、外形美觀及結構復雜度較高，具有出色的穩(wěn)定性等，只有在拱式橋上才能體現(xiàn)出來，但建設過程中對周圍環(huán)境的標準較為嚴格，盡量選在平坦地帶進行作業(yè)，并結合實際情況將橋面的標高調(diào)整到最佳狀態(tài)。懸索橋一般在大型與超大型橋梁工程建設中比較常見，但需要投入大量資金，另外施工的難度系數(shù)較高，因此基本不會被施工方采用。梁式橋的特點包括適用范圍廣、外形美觀和持久耐用等，但缺乏一定的跨越能力，僅限于中小跨徑橋梁施工。鋼架橋建設用不到太多混凝土材料，因為本身的結構尺寸就比較小，但鋼筋的消耗量卻很大，導致工程的造價成本迅速拉高，比如立交橋、高架橋都屬于鋼架橋類型。斜拉橋的跨越能力十分出色，梁體尺寸較小，一般用在無支架施工中，但對應的施工技術標準非常嚴格，常見于中等或大型橋梁工程的建設中。

2 荷載試驗概述

荷載試驗是用于檢測公路橋梁的方法之一，它具有較強的直觀性，指的是對公路橋梁的結構施加適當?shù)膬?nèi)、外部壓力，再對其內(nèi)部與外部結構狀態(tài)的變化進行觀測。在實際檢測公路橋梁時，一般荷載試驗包括兩種不同的情形，即動荷載試驗、靜荷載試驗。二者相比之下，在檢測技術難度、具體要求、試驗結果的準確度、過程的復雜性以及反映公路橋梁真實荷載承受能力等方面，動態(tài)荷載試驗都要比靜態(tài)荷載試驗要更占優(yōu)勢[1]。

3 荷載試驗檢測對象選定

使用新技術工藝、新施工材料的橋跨結構；為特種車輛提供通行條件的新結構橋梁與舊結構橋梁；新建或改擴建的公路橋梁，包括已加固過的在內(nèi)。

以上所提到的幾種公路橋梁在施工質量、性能及結構方面存在不確定性，所以在應用的過程中，是必須要開展荷載試驗的，為了對工程項目的施工效果進行驗證，一般要基于等效荷載試驗、模擬荷載試驗等技術工況，嚴格按實際軸重、輪位來鑒定公路橋梁設計和施工參數(shù)等，見表1，判斷其是否具備承受相應荷載的能力，避免在使用期間發(fā)生安全方面的事故。

表1 橋式加載試驗截面和內(nèi)容

4 荷載試驗在公路橋梁檢測當中的應用

4.1 公路橋梁檢測當中的動荷載試驗

在進行對于功率橋梁檢測試驗的時候，具體的試驗需要根據(jù)公路在使用情況當中的變化以及振動進行分析研究，進而分析出公路橋梁的實際結構強度和相應的性能，在本次試驗中我們根據(jù)不同的需求劃分兩個試驗模式具體如下。

其一，跑車試驗如字面意思，在修建的道路當中車輛行駛的試驗，分析車輛行駛過程中震動的情況，對于荷載試驗中主要針對公路橋梁的試驗方案模式，主要用于檢測分析公路橋梁的實際結構以及相關的性能，保障橋梁的穩(wěn)定性和安全性。

其二，跳車試驗主要是分析研究如果公路的橋梁收到了來自車輛的沖擊耐受力，在具體的試驗過程中車輛需要跨過一定的高度，高度需要控制在15cm，減少橋梁結構的衰減及性能分析，檢測震動的性能和特點。

表2 橋梁校驗系數(shù)

第一頻域分析：通過數(shù)字化處理公路橋梁結構衰退下的跑車試驗與跳車試驗的時域信號，將公路橋梁的荷載分布、結構性能逐一確定下來。

第二時域分析：調(diào)節(jié)到振動模式，分析公路橋梁結構隨時間的頻譜圖物理試驗參數(shù)結果變化曲線、影響系數(shù)及自然頻率等，采取這樣的方式，就可以實現(xiàn)對公路橋梁結構的動態(tài)剛度、時域信號頻率組合等參數(shù)的確認。

第三結構動力學分析：根據(jù)相關的圖紙，基于上述的頻域、時域分析結果，通過一階、二階與更高階頻率進行測試，可以直觀地展示出公路橋梁結構的動力學性能，一般理論值都要比試驗的測定值大一些，意味著公路橋梁的結構缺乏足夠的剛度，開裂的概率較高；與之相反，還可以用測試系統(tǒng)軟件分析半功率帶寬計算功率譜圖方法下的公路橋梁的測定值，通常不出意外的話，公路橋梁的橋阻率是在0.01～0.08 左右，阻尼越小，意味著橋梁結構軸承是不正常的，后期出現(xiàn)結構性裂縫或其他問題的可能性大[2]。

4.2 公路橋梁檢測當中的靜荷載試驗

靜荷載試驗是在公路橋梁振動結構的模式下，使用傳感器設備，將各結構部位的振幅、相位全都收集起來，作為振興型曲線圖繪制的數(shù)據(jù)來源，在多次比較后，對數(shù)據(jù)的真實性做出評價。在此期間，技術人員要綜合改進原有的靜荷載方案，比如橋梁有幾個橋孔，橋孔、橋墩要如何進行計算等。在此基礎上，判斷公路橋梁結構有無出現(xiàn)質量問題的可能性，并且隨著使用時間的不斷延長，會有哪些質量缺陷發(fā)生。

4.2.1 靜荷載試驗準備工作

在靜荷載試驗前，試驗方案的制定要綜合考慮公路橋梁檢測的需求與試驗環(huán)境等因素，對預設環(huán)節(jié)按條件要求做好細節(jié)規(guī)劃，準確規(guī)定出需要用到的加載設備、材料等，關于試驗技術人員與施工人員的安排，要求以經(jīng)驗豐富者優(yōu)先，保證規(guī)范和安全。深入分析公路橋梁的數(shù)據(jù)資料，保證試驗建立在橋梁結構上具有足夠的了解。

4.2.2 開展靜荷載試驗前要先考慮安全性問題

對于試驗中可能遇到的一些問題，我們可以采取防范措施進行處理，安排安全員在旁陪同，設置安全設施為試驗的安全進行創(chuàng)造條件。另外，還有安全防范措施、事故應急預案等都能起到一定作用。評析靜荷載試驗的所得結果，應從理論方面作為切入點，評價整個橋梁結構的可行性，同時也是在驗證試驗數(shù)據(jù)是否準確。對于橋梁結構、靜荷載試驗的評估，一般分為兩個方面，一方面評估分析規(guī)定要求的允許值、監(jiān)測點的實際值，另一方面合理解釋結構的所處狀態(tài)。以控制測點的實際值、理論計算值作為參考依據(jù)，就能判定出橋梁結構是否足夠安全[3]。

5 工程案例分析

5.1 工程概況

京滬線的高鐵配套工程公路規(guī)格為4m×30m 的小箱梁，對箱梁的高度確定為1.6m，實現(xiàn)對于橋面的橫跨鏈接。橋梁的設計荷載等級達到公路-I 級標準。結合簡支箱梁的結構受力特點分析，將對應的控制截面確定下來。

5.2 試驗方案

5.2.1 靜荷載試驗

本試驗用橋梁博士V3.03 版進行結構計算，選取梁單元模擬，靜荷載在箱梁間的分配跨中以鋼接板梁法為主，對于支點部分則是對杠桿原理進行利用。依據(jù)計算結果看，控制斷面內(nèi)力中四車道偏載控制的占比為100%，根據(jù)測試斷面內(nèi)力影響線，縱橋向分別按2-2 斷面、3-3 斷面最不利布載。如表3為實際的工況加載效率。

表3 靜荷載試驗效率系數(shù)

5.2.2 動荷載試驗

本次試驗將在試驗的過程中我們需要設定相應的拾振器，結合相應的曲線功率譜，計算出結構中的豎向基頻機械能和阻尼比。

一輛試驗小車以10km/h 的速度通過平整橋面、有障礙橋面，再將速度改為30km/h，期間把試驗跨中振幅時程信號詳細記錄下來，并對有載狀態(tài)下的橋梁強振頻率、跨中最大振幅進行測定。

5.3 試驗結果

在本次的試驗當中我們可以看出，試驗跨小箱梁多個界面的應力以及系數(shù)都維持在1 以下，證明本標量箱梁的抗彎以及抗剪強度較高，滿足相關的標準。

通過本次的試驗分析可知，橋梁的動力性能指標和相應的規(guī)范完全相同。通過本次的靜荷載試驗，我們可以清楚地了解到數(shù)據(jù)和分析的評定結果，對于靜荷載試驗的相關數(shù)據(jù)的分析和整理也需要從理論分析和探索的角度進行考慮，這對于整體的橋梁結構給出相應的評價模式，也是對試驗數(shù)據(jù)進行相應分析的過程和階段。在進行橋梁結構靜荷載試驗的估算試驗中存在兩種指標：首先，相關規(guī)定允許值以及相應的監(jiān)測點進行分析比較，對于公路實際結構的工況情況進行分析研究；其次，需要根據(jù)控制測量過程中出現(xiàn)的實際值，按照相應的理論計算值進行分析研究，從而了解到公路橋梁的安全性和實際的性能。

6 結語

在區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展過程中，公路橋梁工程不僅是一項特別關鍵的基礎設施項目，還是促進區(qū)域發(fā)展的核心動力來源。目前，隨著交通流量的與日俱增，社會對公路橋梁的使用壽命、運輸能力、承載能力等提出了全新的標準，為了使公路橋梁工程的建設質量得到充分的保障，伴隨著施工技術的持續(xù)高速發(fā)展，為公路橋梁的建設工作注入了強勁動力，出于對施工質量的考慮，在檢測公路橋梁結構時，要采取荷載試驗的方法對其質量水準、結構性能等做出評估。本案例工程在進行動態(tài)荷載試驗及靜態(tài)荷載試驗檢測之后，根據(jù)最終結果來看，靜態(tài)荷載的試驗效率n是在0.95～1.16，相應的最大彎矩荷載是1.17，與試驗規(guī)程完全一致；但是主梁加載撓度的檢驗系數(shù)只有0.520～1.230，與25 噸載重汽車荷載的施加要求存在較大出入，實際的通行能力不能超過10 噸。所以，后期的技術加固、橋梁養(yǎng)護工作必須跟進到位?？偠灾?，在現(xiàn)階段的公路橋梁的體系中進行荷載試驗是非常關鍵且必需的，進行荷載試驗之后可知公路橋梁體系工程在不同的模式和條件荷載能力以及相應的震動特性進行分析，可以保證公路橋梁的施工效果，全面減少公路危險事故的發(fā)生，全面提高我國公路產(chǎn)業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，從而更好地保證我國廣大人民群眾自身的財產(chǎn)安全，保證我國已經(jīng)投入到使用過程中的橋梁質量和安全性。