橋梁靜載試驗撓度測量方法研究

王德魁

(大連市航運和物流發(fā)展服務中心 大連市 116021)

0 引言

橋梁檢測中的靜載試驗是判定橋梁質(zhì)量與性能的有效方法之一，通過荷載試驗實測橋梁結(jié)構(gòu)應變或變位與計算應變或變位的對比確定橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載能力檢算系數(shù)[1]，從而評價橋梁的質(zhì)量與安全性，其中對橋梁結(jié)構(gòu)撓度的測量可以直觀地反應結(jié)構(gòu)性能，而其測量精度對橋梁狀況的評定會產(chǎn)生非常重要的影響。

常用的橋梁撓度測量方法主要分為如下幾種：全站儀測量法、百分表測量法、精密水準法、靜力水準測量法、GPS測量法等，不同測量方法的測量精度、測量速度、試用條件不同。實際使用中需根據(jù)理論計算結(jié)果、規(guī)范規(guī)定以及實際的工作環(huán)境等因素進行選定。

1 撓度測量原理及精度

不同的撓度測量方法及原理不相同，下面對上述六種撓度測量方法精度、原理及適用條件分別進行闡述和分析。

1.1 全站儀測量法

全站儀測量實際是利用“光電測距三角高程法”對橋梁結(jié)構(gòu)撓度進行測量，其適用原理如下：

Δ=S1sinα1-S2sinα2

其中：S1、S2為斜距；α1、α2為豎直角。

全站儀通過測量站位點與被測點之間的水平距離和天頂距(或高度角)，進而求得兩點之間的高度差。使用全站儀進行撓度測量時，其誤差主要來源于兩個方面：

(1)人為因素：對于梁高較低，橋面寬度較大的橋梁，固定全站儀后，夾角α較小。因此在每次加載后進行測量時很難準確定位到觀測點，進而導致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此全站儀一般在橋梁高度較大的條件下使用。

(2)環(huán)境因素：大氣折光現(xiàn)象。在進行三角高程測量過程中，大氣折光變化會對撓度測量值產(chǎn)生影響。因此在使用全站儀進行撓度測量時，一般選擇夜間操作，此時大氣狀態(tài)相對比較穩(wěn)定。

1.2 百分表測量法

百分表是一種比較傳統(tǒng)的撓度測量方法。在進行墩(臺)頂撓度測量時，可利用鐵餅直接將百分表固定在蓋梁頂部，感應器與梁底測點對接即可；當對跨中撓度進行測量時，需通過鋼絲線懸掛重錘，重錘底部與百分表感應器對接。當測量精度較高時還可以選用千分表。百分表進行撓度測量的原理是，通過齒輪轉(zhuǎn)動設備將測點撓度值放大，并將直線往返運動轉(zhuǎn)換成指針的轉(zhuǎn)動，從而顯示其位移數(shù)值。使用該方法進行撓度測量時，其優(yōu)點是設備價格較低，操作簡單，測量結(jié)果相對穩(wěn)定。其誤差主要包括如下兩方面：

(1)人為誤差：百分表測量撓度需通過人工讀數(shù)，因此會產(chǎn)生人為誤差。

(2)環(huán)境因素：當利用鋼絲線懸掛重錘進行測量時，受風影響較大，而且梁高越高影響越明顯，因此該方法適合梁高較低的情況下使用。

1.3 精密水準法

精密水準儀是一種在橋面上進行撓度測量的儀器，其測量原理是首先架設水準儀，設立一個不動點作為基準點，在測點位置豎立水準尺，通過測量測點與基準點之間的高差來推算撓度變化，該方法測量速度快，計算簡便。其測量誤差主要包括如下三方面：

(1)人為誤差：需通過人工讀數(shù)，因此會產(chǎn)生人為誤差。

(2)在進行加載卸載過程中水準儀架設位置如果受到擾動會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

(3)對于撓度變化較大或跨徑較大的橋梁，水準儀架設位置與測點間距離較遠，或需通過多次轉(zhuǎn)點進行測量，會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

1.4 靜力水準測量法

靜力水準測量法是一種測量精度較高，測量結(jié)果穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠的測量方法，其測量精度可達到±0.1mm，其主要原理為連通管，利用連通管將各測點連接起來，以觀測各測點間高程的相對變化。該方法已實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集和處理，測量時可進行實時采集。該方法測量速度快，但造價高，安裝過程較為繁瑣。其量程一般小于20cm，因此不適用于撓度變化較大的橋梁。

1.5 GPS測量法

GPS測量法分為靜態(tài)測量、準動態(tài)測量和動態(tài)測量三種測量模式，不同的測量模式，其測量精度和測量速度存在較大差別，一般靜態(tài)測量的精度最高，可達到±1mm，但其測量時間較長，一般需1h以上；而準動態(tài)測量和動態(tài)測量的精度僅為±1cm，測量精度較低。因此，對于大撓度橋梁的檢測，由于撓度值較大，應用GPS觀測還是可以考慮的[1]。

2 靜載試驗

靜載試驗是一種評定橋梁結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)及安全性能的檢測手段。橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗是按照橋梁的設計荷載等級，根據(jù)荷載的最不利位置，布置靜載，或者根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的控制內(nèi)力確定荷載及其位置，對橋梁結(jié)構(gòu)進行加載[2]，通過對數(shù)據(jù)的測量及分析，進而評定結(jié)構(gòu)的性能。

2.1 靜載試驗內(nèi)容

通過理論計算得出加載方案，采用配重車加載方法對橋梁進行靜載試驗[3]，然后進行數(shù)據(jù)的采集和記錄。本次靜載試驗主要包括邊跨正彎矩工況、中跨正彎矩工況和支點負彎矩工況，測試內(nèi)容主要包括：

(1)結(jié)構(gòu)的豎向撓度，主要為主梁跨中撓度，每跨跨中選取5個測點，并取得最大的撓度及變形值，同時觀測支座下沉值[4]。

(2)結(jié)構(gòu)控制截面的最大應力(應變)[5]。

2.2 試驗目的

根據(jù)相關試驗準則、試驗依據(jù)，確定本次檢測及試驗目的如下：

(1)通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗荷載作用下的變形和內(nèi)力，確定橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)與設計期望值是否相符，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)實際性能，如結(jié)構(gòu)的強度、剛度等是否達到設計要求。

(2)橋梁運營管理提供基本信息或參考依據(jù)，為橋梁的管理、養(yǎng)護維修，積累技術(shù)資料。

(3)確保橋梁承載能力滿足設計荷載標準。

(4)采用不同方式進行靜載試驗撓度數(shù)據(jù)采集，處理之后分別與理論值進行對比分析，為靜載試驗撓度測量儀器設備的選擇提供參考。

2.3 儀器設備

(1)應變測試儀：應變計、橋梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。利用該儀器設備實現(xiàn)無線采集。

(2)撓度測試儀器：全站儀、百分表、千分表、精密水準儀、靜力水準，分別采用四種方式進行撓度數(shù)據(jù)的采集。

(3)裂縫發(fā)展情況測量儀器：裂縫卡片、裂縫測寬儀。

2.4 理論計算

利用有限元分析軟件，在不考慮橋面鋪裝中瀝青和混凝土共同受力的情況下，以設計活載作用下計算得到的內(nèi)力以及應力、撓度作為加載中的控制效應進行控制。在計算模型中對計算模型相關參數(shù)進行適當調(diào)整，使模型能真正反映橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀[6]。以39t標準三軸自卸車作為加載物制定加載方案。根據(jù)《公路橋梁承載能力評定規(guī)程》(JTG/T 21—2011)條文8.1.2的規(guī)定，靜力試驗荷載可按控制內(nèi)力、應力或變位等效原則確定。靜載試驗效率介于0.95～1.05之間[7](1.0為最佳加載效率)。

2.5 連續(xù)梁橋靜載試驗撓度測點布置

在進行T梁靜載試驗時需在跨中每片T梁底部設置撓度觀測點，同時需測量墩頂處撓度變化情況，以兩者撓度變化差值作為主梁跨中最終的加載撓度，如圖1～圖3所示為撓度測點布置情況。

圖1 主梁跨中撓度測點縱向布置圖

圖2 跨中撓度測點布置圖

圖3 支點撓度測點布置圖

2.6 靜載試驗加載方法

本次靜載試驗分為四級加載，加載效率分別為：50%、70%、90%和100%，卸載為一級。為控制加載試驗中結(jié)構(gòu)殘余變形對試驗的可能影響，待靜力荷載試驗完全加載到位后，應將試驗車輛發(fā)動機關閉并持續(xù)至少5min，待試驗數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定后現(xiàn)場記錄，將卸載與緊鄰的加載時間間隔控制在5min內(nèi)[8]。在進行正式加載之前，需先進行預加載，待穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)測量，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形等情況，并確保儀器設備的能夠正常運行，然后再進行正式加載。如圖4所示為靜力加載時采用的加載車。

圖4 三軸自卸車加載現(xiàn)場照片

2.7 連續(xù)T梁靜載試驗結(jié)果分析

根據(jù)本連續(xù)T梁建設的相關要求、標準以及荷載試驗規(guī)范，通過測量數(shù)據(jù)(應變、撓度、裂縫發(fā)展情況)與控制指標的對比，對本次靜載試驗結(jié)果進行分析，以確定該橋梁是否滿足安全運營要求。對本次靜載試驗采用四種方法對主梁撓度進行測量，如表1所示為第54孔跨中四級加載后撓度的理論值、實測值以及加載效率。

表1 四級加載主梁跨中撓度結(jié)果表 mm

3 結(jié)論

(1)對于文中涉及到的橋梁，由于其橋下凈空相對較小，橋下地面平整，適用百分表測量法，其測量精度可達±0.01mm，當對測量精度要求較高時，還可以使用千分表，其測量精度可達±0.001mm。利用“百分表測量法”實測值對其他幾種方法進行校核可發(fā)現(xiàn)，“靜力水準測量法”測量值較準確，而全站儀和精密水準儀測量結(jié)果存在一定偏差。

(2)靜力水準法測量精度較高，而且可實現(xiàn)自動化實時采集。當橋梁撓度變化相對較小，且滿足靜力水準儀器安裝條件時，可采用該方法進行撓度觀測。

(3)對于大跨度橋梁，由于一般其橋下凈空較高，且在進行靜載試驗時撓度變化較大，可采用全站儀觀測，其測量精度可以滿足要求，但測量速度較慢。

(4)撓度測量是靜載試驗中反映橋梁結(jié)構(gòu)性能即安全性的關鍵性指標之一，采用不同的方法進行測量，其使用方法、適用條件、觀測精度以及測量速度都存在較大的差別。因此在進行橋梁檢測時需根據(jù)相關要求及實際工程進行選取。