公路橋梁檢測(cè)中荷載試驗(yàn)的應(yīng)用研究

孫藝恒

（蘇交科集團(tuán)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(guò)長(zhǎng)期使用之后，公路自身的橋梁承載能力以及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)出現(xiàn)一定程度的變化，這些變化會(huì)使橋梁的質(zhì)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(yīng)的措施就會(huì)出現(xiàn)一些安全隱患。因此，需要對(duì)已經(jīng)在使用過(guò)程中的公路橋梁的承載能力進(jìn)行定期的檢測(cè)，在新建公路橋梁過(guò)程中以及投入使用前也需要進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，從而保證公路橋梁的質(zhì)量。公路橋梁的質(zhì)量和承載能力具有密切的聯(lián)系，直接關(guān)系群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全。

1 公路橋梁的基本類(lèi)型

按結(jié)構(gòu)體系來(lái)分，公路橋梁工程主要包括斜拉橋、鋼架橋、梁式橋等。當(dāng)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(huà)，占比較大的是石板橋梁、土質(zhì)橋梁等工程類(lèi)型。對(duì)于公路橋梁工程的建設(shè)設(shè)計(jì)，首先我們要深入了解不同類(lèi)型橋梁工程的特點(diǎn)和建設(shè)重點(diǎn)。施工材料消耗小、外形美觀及結(jié)構(gòu)復(fù)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(lái)，但建設(shè)過(guò)程中對(duì)周?chē)h(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格，盡量選在平坦地帶進(jìn)行作業(yè)，并結(jié)合實(shí)際情況將橋面的標(biāo)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(shè)中比較常見(jiàn)，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(huì)被施工方采用。梁式橋的特點(diǎn)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(shè)用不到太多混凝土材料，因?yàn)楸旧淼慕Y(jié)構(gòu)尺寸就比較小，但鋼筋的消耗量卻很大，導(dǎo)致工程的造價(jià)成本迅速拉高，比如立交橋、高架橋都屬于鋼架橋類(lèi)型。斜拉橋的跨越能力十分出色，梁體尺寸較小，一般用在無(wú)支架施工中，但對(duì)應(yīng)的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，常見(jiàn)于中等或大型橋梁工程的建設(shè)中。

2 荷載試驗(yàn)概述

荷載試驗(yàn)是用于檢測(cè)公路橋梁的方法之一，它具有較強(qiáng)的直觀性，指的是對(duì)公路橋梁的結(jié)構(gòu)施加適當(dāng)?shù)膬?nèi)、外部壓力，再對(duì)其內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化進(jìn)行觀測(cè)。在實(shí)際檢測(cè)公路橋梁時(shí)，一般荷載試驗(yàn)包括兩種不同的情形，即動(dòng)荷載試驗(yàn)、靜荷載試驗(yàn)。二者相比之下，在檢測(cè)技術(shù)難度、具體要求、試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度、過(guò)程的復(fù)雜性以及反映公路橋梁真實(shí)荷載承受能力等方面，動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)都要比靜態(tài)荷載試驗(yàn)要更占優(yōu)勢(shì)[1]。

3 荷載試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象選定

使用新技術(shù)工藝、新施工材料的橋跨結(jié)構(gòu)；為特種車(chē)輛提供通行條件的新結(jié)構(gòu)橋梁與舊結(jié)構(gòu)橋梁；新建或改擴(kuò)建的公路橋梁，包括已加固過(guò)的在內(nèi)。

以上所提到的幾種公路橋梁在施工質(zhì)量、性能及結(jié)構(gòu)方面存在不確定性，所以在應(yīng)用的過(guò)程中，是必須要開(kāi)展荷載試驗(yàn)的，為了對(duì)工程項(xiàng)目的施工效果進(jìn)行驗(yàn)證，一般要基于等效荷載試驗(yàn)、模擬荷載試驗(yàn)等技術(shù)工況，嚴(yán)格按實(shí)際軸重、輪位來(lái)鑒定公路橋梁設(shè)計(jì)和施工參數(shù)等，見(jiàn)表1，判斷其是否具備承受相應(yīng)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(yàn)截面和內(nèi)容

4 荷載試驗(yàn)在公路橋梁檢測(cè)當(dāng)中的應(yīng)用

4.1 公路橋梁檢測(cè)當(dāng)中的動(dòng)荷載試驗(yàn)

在進(jìn)行對(duì)于功率橋梁檢測(cè)試驗(yàn)的時(shí)候，具體的試驗(yàn)需要根據(jù)公路在使用情況當(dāng)中的變化以及振動(dòng)進(jìn)行分析研究，進(jìn)而分析出公路橋梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和相應(yīng)的性能，在本次試驗(yàn)中我們根據(jù)不同的需求劃分兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｊ骄唧w如下。

其一，跑車(chē)試驗(yàn)如字面意思，在修建的道路當(dāng)中車(chē)輛行駛的試驗(yàn)，分析車(chē)輛行駛過(guò)程中震動(dòng)的情況，對(duì)于荷載試驗(yàn)中主要針對(duì)公路橋梁的試驗(yàn)方案模式，主要用于檢測(cè)分析公路橋梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的性能，保障橋梁的穩(wěn)定性和安全性。

其二，跳車(chē)試驗(yàn)主要是分析研究如果公路的橋梁收到了來(lái)自車(chē)輛的沖擊耐受力，在具體的試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)輛需要跨過(guò)一定的高度，高度需要控制在15cm，減少橋梁結(jié)構(gòu)的衰減及性能分析，檢測(cè)震動(dòng)的性能和特點(diǎn)。

表2 橋梁校驗(yàn)系數(shù)

第一頻域分析：通過(guò)數(shù)字化處理公路橋梁結(jié)構(gòu)衰退下的跑車(chē)試驗(yàn)與跳車(chē)試驗(yàn)的時(shí)域信號(hào)，將公路橋梁的荷載分布、結(jié)構(gòu)性能逐一確定下來(lái)。

第二時(shí)域分析：調(diào)節(jié)到振動(dòng)模式，分析公路橋梁結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的頻譜圖物理試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果變化曲線(xiàn)、影響系數(shù)及自然頻率等，采取這樣的方式，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度、時(shí)域信號(hào)頻率組合等參數(shù)的確認(rèn)。

第三結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析：根據(jù)相關(guān)的圖紙，基于上述的頻域、時(shí)域分析結(jié)果，通過(guò)一階、二階與更高階頻率進(jìn)行測(cè)試，可以直觀地展示出公路橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，一般理論值都要比試驗(yàn)的測(cè)定值大一些，意味著公路橋梁的結(jié)構(gòu)缺乏足夠的剛度，開(kāi)裂的概率較高；與之相反，還可以用測(cè)試系統(tǒng)軟件分析半功率帶寬計(jì)算功率譜圖方法下的公路橋梁的測(cè)定值，通常不出意外的話(huà)，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(jié)構(gòu)軸承是不正常的，后期出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫或其他問(wèn)題的可能性大[2]。

4.2 公路橋梁檢測(cè)當(dāng)中的靜荷載試驗(yàn)

靜荷載試驗(yàn)是在公路橋梁振動(dòng)結(jié)構(gòu)的模式下，使用傳感器設(shè)備，將各結(jié)構(gòu)部位的振幅、相位全都收集起來(lái)，作為振興型曲線(xiàn)圖繪制的數(shù)據(jù)來(lái)源，在多次比較后，對(duì)數(shù)據(jù)的真實(shí)性做出評(píng)價(jià)。在此期間，技術(shù)人員要綜合改進(jìn)原有的靜荷載方案，比如橋梁有幾個(gè)橋孔，橋孔、橋墩要如何進(jìn)行計(jì)算等。在此基礎(chǔ)上，判斷公路橋梁結(jié)構(gòu)有無(wú)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的可能性，并且隨著使用時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，會(huì)有哪些質(zhì)量缺陷發(fā)生。

4.2.1 靜荷載試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

在靜荷載試驗(yàn)前，試驗(yàn)方案的制定要綜合考慮公路橋梁檢測(cè)的需求與試驗(yàn)環(huán)境等因素，對(duì)預(yù)設(shè)環(huán)節(jié)按條件要求做好細(xì)節(jié)規(guī)劃，準(zhǔn)確規(guī)定出需要用到的加載設(shè)備、材料等，關(guān)于試驗(yàn)技術(shù)人員與施工人員的安排，要求以經(jīng)驗(yàn)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(yàn)建立在橋梁結(jié)構(gòu)上具有足夠的了解。

4.2.2 開(kāi)展靜荷載試驗(yàn)前要先考慮安全性問(wèn)題

對(duì)于試驗(yàn)中可能遇到的一些問(wèn)題，我們可以采取防范措施進(jìn)行處理，安排安全員在旁陪同，設(shè)置安全設(shè)施為試驗(yàn)的安全進(jìn)行創(chuàng)造條件。另外，還有安全防范措施、事故應(yīng)急預(yù)案等都能起到一定作用。評(píng)析靜荷載試驗(yàn)的所得結(jié)果，應(yīng)從理論方面作為切入點(diǎn)，評(píng)價(jià)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的可行性，同時(shí)也是在驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)、靜荷載試驗(yàn)的評(píng)估，一般分為兩個(gè)方面，一方面評(píng)估分析規(guī)定要求的允許值、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際值，另一方面合理解釋結(jié)構(gòu)的所處狀態(tài)。以控制測(cè)點(diǎn)的實(shí)際值、理論計(jì)算值作為參考依據(jù)，就能判定出橋梁結(jié)構(gòu)是否足夠安全[3]。

5 工程案例分析

5.1 工程概況

京滬線(xiàn)的高鐵配套工程公路規(guī)格為4m×30m 的小箱梁，對(duì)箱梁的高度確定為1.6m，實(shí)現(xiàn)對(duì)于橋面的橫跨鏈接。橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)達(dá)到公路-I 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合簡(jiǎn)支箱梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析，將對(duì)應(yīng)的控制截面確定下來(lái)。

5.2 試驗(yàn)方案

5.2.1 靜荷載試驗(yàn)

本試驗(yàn)用橋梁博士V3.03 版進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，選取梁?jiǎn)卧M，靜荷載在箱梁間的分配跨中以鋼接板梁法為主，對(duì)于支點(diǎn)部分則是對(duì)杠桿原理進(jìn)行利用。依據(jù)計(jì)算結(jié)果看，控制斷面內(nèi)力中四車(chē)道偏載控制的占比為100%，根據(jù)測(cè)試斷面內(nèi)力影響線(xiàn)，縱橋向分別按2-2 斷面、3-3 斷面最不利布載。如表3為實(shí)際的工況加載效率。

表3 靜荷載試驗(yàn)效率系數(shù)

5.2.2 動(dòng)荷載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)將在試驗(yàn)的過(guò)程中我們需要設(shè)定相應(yīng)的拾振器，結(jié)合相應(yīng)的曲線(xiàn)功率譜，計(jì)算出結(jié)構(gòu)中的豎向基頻機(jī)械能和阻尼比。

一輛試驗(yàn)小車(chē)以10km/h 的速度通過(guò)平整橋面、有障礙橋面，再將速度改為30km/h，期間把試驗(yàn)跨中振幅時(shí)程信號(hào)詳細(xì)記錄下來(lái)，并對(duì)有載狀態(tài)下的橋梁強(qiáng)振頻率、跨中最大振幅進(jìn)行測(cè)定。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

在本次的試驗(yàn)當(dāng)中我們可以看出，試驗(yàn)跨小箱梁多個(gè)界面的應(yīng)力以及系數(shù)都維持在1 以下，證明本標(biāo)量箱梁的抗彎以及抗剪強(qiáng)度較高，滿(mǎn)足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)本次的試驗(yàn)分析可知，橋梁的動(dòng)力性能指標(biāo)和相應(yīng)的規(guī)范完全相同。通過(guò)本次的靜荷載試驗(yàn)，我們可以清楚地了解到數(shù)據(jù)和分析的評(píng)定結(jié)果，對(duì)于靜荷載試驗(yàn)的相關(guān)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(jìn)行考慮，這對(duì)于整體的橋梁結(jié)構(gòu)給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)模式，也是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析的過(guò)程和階段。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)靜荷載試驗(yàn)的估算試驗(yàn)中存在兩種指標(biāo)：首先，相關(guān)規(guī)定允許值以及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析比較，對(duì)于公路實(shí)際結(jié)構(gòu)的工況情況進(jìn)行分析研究；其次，需要根據(jù)控制測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際值，按照相應(yīng)的理論計(jì)算值進(jìn)行分析研究，從而了解到公路橋梁的安全性和實(shí)際的性能。

6 結(jié)語(yǔ)

在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過(guò)程中，公路橋梁工程不僅是一項(xiàng)特別關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，還是促進(jìn)區(qū)域發(fā)展的核心動(dòng)力來(lái)源。目前，隨著交通流量的與日俱增，社會(huì)對(duì)公路橋梁的使用壽命、運(yùn)輸能力、承載能力等提出了全新的標(biāo)準(zhǔn)，為了使公路橋梁工程的建設(shè)質(zhì)量得到充分的保障，伴隨著施工技術(shù)的持續(xù)高速發(fā)展，為公路橋梁的建設(shè)工作注入了強(qiáng)勁動(dòng)力，出于對(duì)施工質(zhì)量的考慮，在檢測(cè)公路橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，要采取荷載試驗(yàn)的方法對(duì)其質(zhì)量水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)性能等做出評(píng)估。本案例工程在進(jìn)行動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)及靜態(tài)荷載試驗(yàn)檢測(cè)之后，根據(jù)最終結(jié)果來(lái)看，靜態(tài)荷載的試驗(yàn)效率n是在0.95～1.16，相應(yīng)的最大彎矩荷載是1.17，與試驗(yàn)規(guī)程完全一致；但是主梁加載撓度的檢驗(yàn)系數(shù)只有0.520～1.230，與25 噸載重汽車(chē)荷載的施加要求存在較大出入，實(shí)際的通行能力不能超過(guò)10 噸。所以，后期的技術(shù)加固、橋梁養(yǎng)護(hù)工作必須跟進(jìn)到位?？偠灾?，在現(xiàn)階段的公路橋梁的體系中進(jìn)行荷載試驗(yàn)是非常關(guān)鍵且必需的，進(jìn)行荷載試驗(yàn)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(yīng)的震動(dòng)特性進(jìn)行分析，可以保證公路橋梁的施工效果，全面減少公路危險(xiǎn)事故的發(fā)生，全面提高我國(guó)公路產(chǎn)業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，從而更好地保證我國(guó)廣大人民群眾自身的財(cái)產(chǎn)安全，保證我國(guó)已經(jīng)投入到使用過(guò)程中的橋梁質(zhì)量和安全性。