基于荷載試驗(yàn)的橋梁檢測分析

鄧潔，李曉林，曹峰

（1.長沙理工檢測咨詢有限責(zé)任公司，長沙 410000；2.新田縣農(nóng)村公路管理站，湖南 永州 425700）

1 引言

橋梁是公路、鐵路工程的重要組成部分，是交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為保證橋梁工程的安全可靠使用，必須重視橋梁檢測工作的落實(shí)，為工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量評價提供可靠的實(shí)測數(shù)據(jù)。在橋梁檢測應(yīng)用的各種方法中，荷載試驗(yàn)必不可少，其可以準(zhǔn)確分析橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力與安全性能，為橋梁后期運(yùn)營與維修保養(yǎng)提供可靠保障。本文主要圍繞橋梁檢測中的荷載試驗(yàn)展開詳細(xì)分析。

2 荷載試驗(yàn)的意義

荷載試驗(yàn)是橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)最直接、可靠的檢測方法，可直接反映橋梁整體的工作性能。橋梁荷載試驗(yàn)主要可分為兩種：靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)。通過靜載試驗(yàn)可以分析橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度；通過動載試驗(yàn)可以得到橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和動力響應(yīng)，包括移動車輛或其他荷載作用下橋梁指定斷面的動應(yīng)變、動撓度以及加速度[1]。

對于我國一部分已投入運(yùn)營的橋梁，建設(shè)時間較早，運(yùn)營期間受到各種外界因素的影響，加之很多資料已經(jīng)無法查證，為實(shí)現(xiàn)對橋梁承載力、工作狀態(tài)的有效評估，荷載試驗(yàn)是最合理的檢測方法，其可給出一個科學(xué)的檢定結(jié)論，為制訂維護(hù)方案提供可靠依據(jù)；對于新建橋梁，荷載試驗(yàn)有利于確定橋梁成橋后的工作狀態(tài)，保證橋梁的安全可靠運(yùn)營[2]。

3 基于荷載試驗(yàn)的橋梁檢測要點(diǎn)

橋梁荷載試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜且細(xì)致的工作，要求從試驗(yàn)準(zhǔn)備、制訂試驗(yàn)方案到具體試驗(yàn)操作均要落實(shí)到位，工作人員需具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)與豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，以獲得真實(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以下主要基于荷載試驗(yàn)的橋梁檢測要點(diǎn)展開分析。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1）明確荷載試驗(yàn)的目的、各測試項(xiàng)目，確定荷載試驗(yàn)需測得的各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)。

2）收集橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)、施工資料，主要包括：設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)計(jì)圖、竣工圖、施工監(jiān)理記錄數(shù)據(jù)、日常養(yǎng)護(hù)維修資料等。

3）開展橋梁現(xiàn)狀檢查，全面掌握橋梁結(jié)構(gòu)目前的工作狀態(tài)與周邊環(huán)境，具體檢查內(nèi)容見表1。

表1 橋梁現(xiàn)狀檢查內(nèi)容

4）橋梁結(jié)構(gòu)理論計(jì)算，采用有限元軟件對實(shí)際試驗(yàn)加載狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果確定測試橋跨、控制截面、測點(diǎn)布設(shè)位置，保證試驗(yàn)工作順利開展。

5）根據(jù)上述工作結(jié)果編制荷載試驗(yàn)方案，明確試驗(yàn)?zāi)康?、方法、進(jìn)度，并組織分工、確定終止試驗(yàn)條件，保證荷載試驗(yàn)的協(xié)調(diào)、安全完成[3]。

6）試驗(yàn)現(xiàn)場準(zhǔn)備工作，包括測試人員組織、試驗(yàn)儀器準(zhǔn)備。

3.2 試驗(yàn)操作

橋梁荷載試驗(yàn)的重點(diǎn)在于檢測與觀測。此階段所有準(zhǔn)備工作均已完成，現(xiàn)場試驗(yàn)人員需嚴(yán)格遵循試驗(yàn)步驟、程序進(jìn)行分級加載試驗(yàn)，通過精密儀器記錄或自動記錄的方式記錄橋梁結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的受力性能指標(biāo)。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，要求所有試驗(yàn)操作必須在指揮員現(xiàn)場的統(tǒng)一命令下開展，確保試驗(yàn)步驟統(tǒng)一，試驗(yàn)總指揮做好相關(guān)監(jiān)督工作，例如，試驗(yàn)人員是否按規(guī)范操作；加載車輛或重物加載機(jī)械是否達(dá)到指定位置等[4]。實(shí)際試驗(yàn)操作時，可通過模擬荷載進(jìn)行預(yù)演練，并對其變化情況進(jìn)行記錄，保證測試系統(tǒng)正常運(yùn)行；完成必要時間節(jié)點(diǎn)信息、重要環(huán)節(jié)信息記錄后，正式進(jìn)行加載試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中不斷將結(jié)果數(shù)據(jù)與理論預(yù)測值進(jìn)行比較，隨時掌握偏差情況，由此判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否可靠，能否開展下一階段的荷載試驗(yàn)，并對橋梁結(jié)構(gòu)是否安全、儀器設(shè)備是否正常進(jìn)行檢驗(yàn)，保證試驗(yàn)人員安全。

3.3 數(shù)據(jù)分析

完成橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集后，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、調(diào)整，將明顯突變數(shù)據(jù)剔除，并分析原因[5]。針對橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要采用應(yīng)力應(yīng)變公式、結(jié)構(gòu)荷載變形等理論進(jìn)行分析，具體橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)評價內(nèi)容包括：

1）對比理論與實(shí)測數(shù)值變化，評價橋梁安全程度與剩余承載力，評估結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行能力與儲備值；

2）對比實(shí)測數(shù)值與規(guī)范設(shè)計(jì)值變化特征，分析結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)與受力變形狀態(tài)。在橋梁荷載數(shù)據(jù)分析時，初始數(shù)據(jù)資料整理需去粗取精，同時也要遵從初始資料的規(guī)律性，保證數(shù)據(jù)的完整性、客觀性；完成數(shù)據(jù)分析后，按規(guī)定編制橋梁結(jié)構(gòu)承載能力和結(jié)構(gòu)安全性評估表和鑒定表[6]。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

某橋梁工程為1 跨鋼筋混凝土空心板梁，跨徑12 m，兩側(cè)橋臺長度為5 m，鋼筋混凝土重力式橋臺。此橋梁分為左、中、右三幅，其中，左右幅橫向布置13 片板，中幅26 片板。橋面為瀝青混凝土鋪裝，橫斷面布置為2.85 m（人行道+護(hù)欄）+10.8 m（輔路行車道）+1.4 m（隔離帶）+12.3 m（主路行車道）+3.5 m（隔離帶）+12.2 m（主路行車道）+1.5 m（隔離帶）+11 m（輔路行車道）+2.45 m（人行道+護(hù)欄）。此橋梁于1994 年建成，設(shè)計(jì)荷載等級為汽車-超20 級，掛-120。

4.2 荷載試驗(yàn)

主要采取靜力荷載試驗(yàn)方法測量橋梁結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形與應(yīng)力，確定橋梁實(shí)際工作狀態(tài)。

4.2.1 荷載試驗(yàn)測點(diǎn)布置

1）測試斷面：此橋梁為1 跨簡支體系結(jié)構(gòu)，通過橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果、外觀缺損情況以及交通導(dǎo)改因素分析，決定主路、輔路測試斷面選取跨中、兩端支點(diǎn)斷面。

2）撓度測點(diǎn)：選用位移計(jì)進(jìn)行撓度量測，共計(jì)布置45 個測點(diǎn)，分別位于2#～16#片板梁兩端支點(diǎn)、跨中截面。

3）應(yīng)變測點(diǎn)：在板梁底板主筋粘貼鋼筋應(yīng)變片，配備DH3815 靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。根據(jù)模型理論計(jì)算結(jié)果（有限元數(shù)值分析法），將應(yīng)變片布置在各工況荷載作用下應(yīng)變、撓度最大板梁處，共計(jì)布置18 片，分別位于4#、5#、6#、8#、9#、12#、13#～15#板梁跨中截面，主筋上布置兩片應(yīng)變片。

4）裂縫觀測：5#、9#、13#板梁底面選擇1 條橫向裂縫設(shè)置裂縫引伸計(jì)，觀測各工況加載過程中裂縫的發(fā)展情況。

4.2.2 荷載試驗(yàn)加載車輛

此橋梁選用3 輛400 kN（40 t）三軸載重車，試驗(yàn)車主要技術(shù)指標(biāo)見表3 和圖1。

表3 荷載試驗(yàn)車輛參數(shù)

圖1 荷載試驗(yàn)車輛示意圖

4.2.3 車輛加載布置

此橋梁分為3 種加載工況，具體見表4。

表4 各加載工況車輛加載布置方案

4.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與承載能力評定

4.3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果

1）實(shí)測撓度：此橋梁在工況1～3 作用下，實(shí)測跨中截面撓度小于理論計(jì)算值，工況1、2、3 滿載時，實(shí)測撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)分別為0.223～0.365、0.166～0.240、0.198～0.241，梁體相對殘余變位均低于規(guī)范20%。

2）實(shí)測應(yīng)變：此橋梁在工況1～3 作用下，實(shí)測截面應(yīng)變小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)為0.760～0.919，雖符合要求，但已接近1；各工況下梁體相對殘余變形均低于規(guī)范20%，其中，1#～13#板接近20%。

3）裂縫觀測：此橋梁在工況1～3 加載過程中，對1#～5#板、1#～9#板、1#～13#板跨中截面裂縫進(jìn)行觀測。觀測結(jié)果顯示，加載時板底裂縫拓展明顯，卸載后部分裂縫寬度略有殘留，閉合寬度占拓展寬度的50%～80%，

工況1 時的1～13#板以及工況2 時的1#～9#板的閉合寬度＜2/3，不符合規(guī)范要求。

4.3.2 承載能力評定

綜合靜載試驗(yàn)與承載能力評定結(jié)果，判斷橋梁承載能力無法滿足荷載標(biāo)準(zhǔn)汽車-超20 級要求，必須進(jìn)行加固處理。

5 結(jié)語

綜上所述，通過荷載試驗(yàn)可進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)檢測與性能評估，明確橋梁真實(shí)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)橋梁問題與隱患，為橋梁后續(xù)養(yǎng)護(hù)管理提供可靠參考。橋梁荷載試驗(yàn)時，需明確試驗(yàn)?zāi)康?、全面收集橋梁資料，科學(xué)制訂加載測試方案，保證橋梁檢測結(jié)果真實(shí)可靠，為橋梁承載能力評價提供可靠數(shù)據(jù)，以此制定針對性的維護(hù)加固策略，實(shí)現(xiàn)橋梁安全運(yùn)營。