橋梁檢測動靜荷載試驗應(yīng)用

周帆

（江西省交通工程質(zhì)量監(jiān)督站試驗檢測中心，江西南昌 330000）

0 引言

公路橋梁的運行穩(wěn)定性、安全性對整個交通運行水平有直接影響，也關(guān)系到當?shù)氐慕?jīng)濟與社會發(fā)展。在橋梁工程建設(shè)以及運維管理的過程中，充分利用動靜荷載試驗檢測的方法，及時掌握目前的橋梁工程運行情況，發(fā)現(xiàn)問題采取針對性的處理措施，有效規(guī)避各種質(zhì)量和安全問題，能夠提高橋梁運行的總體效果。為此，需要對橋梁的動靜荷載試驗檢測方法進行深入研究，使其應(yīng)用更加科學合理、規(guī)范標準，結(jié)果更加準確有效，從而更好地服務(wù)于橋梁事業(yè)。采取案例分析的方法，可使研究分析更加直觀、更加切合實際，故采取結(jié)合某橋梁動靜荷載試驗檢測實際案例進行分析論證。

1 荷載試驗

動靜荷載檢測對橋梁工程質(zhì)量檢測有重要意義，能夠直觀、準確地掌握橋梁的運行參數(shù)，如橋梁的受力、承載性能等參數(shù)，進而判斷橋梁是否出現(xiàn)質(zhì)量問題，對橋梁施工與養(yǎng)護工作的高效開展有重要意義。在實際應(yīng)用中，可以將動靜荷載檢測相結(jié)合。

在靜載試驗階段，檢測人員需要給橋梁施加靜力荷載，然后檢測橋梁的多方面性能，通過分析檢測結(jié)果，對比理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的差異，分析梁體結(jié)構(gòu)的撓度、應(yīng)力變化情況，從而得出受力條件和承載力性能數(shù)據(jù)。

動載試驗就是在不同速度的作用下，給橋梁施加橫向、豎向的振動，進行動應(yīng)變、動位移參數(shù)檢測，然后確定橋梁的振動特性以及動力系數(shù)，分析動載條件下橋梁的運行狀態(tài)。在承載力分析環(huán)節(jié)，一般通過參數(shù)進行計算，即可得到準確的結(jié)果，如果梁體的結(jié)構(gòu)組成比較復雜，檢測人員獲取現(xiàn)場的數(shù)據(jù)后，需與結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙進行對比分析，并建立有限元模型展開數(shù)據(jù)分析。建設(shè)有限元模型時，檢測結(jié)果與設(shè)計圖紙相關(guān)數(shù)據(jù)差異較大，檢測人員要及時從物理系數(shù)、幾何參數(shù)方面進行修正，改進有限元模型，使有限元模型能夠準確反映出橋梁的具體情況[1]。

2 橋梁荷載檢測方法分析

2.1 靜載試驗方法

2.1.1 控制截面選擇

控制截面是指進行靜載試驗時，對橋梁結(jié)構(gòu)進行荷載施加的特定截面位置。合理選擇控制截面可以準確測量和評估橋梁在靜態(tài)荷載作用下的變形和應(yīng)力情況，以下是靜載試驗中控制截面選擇的要點：

第一，選擇控制截面時，需要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的具體位置和功能，通常選擇位于主梁、橋墩或橋臺等關(guān)鍵位置的截面進行試驗，以獲得較為全面和準確的數(shù)據(jù)。第二，不同類型的橋梁結(jié)構(gòu)有不同的特點。選擇控制截面時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的幾何形狀、構(gòu)造特點和荷載傳遞機制，以確保試驗能夠準確反映整個結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況和性能。第三，在靜載試驗中，應(yīng)選擇能夠反映結(jié)構(gòu)受力狀況和變形分布的關(guān)鍵控制截面。這些截面通常在梁底或梁頂?shù)任恢?，能夠獲得更具代表性的試驗結(jié)果。第四，選擇控制截面時，應(yīng)考慮測量設(shè)備的安裝和布置，以確?？梢詼蚀_測量截面的變形和應(yīng)力情況。同時，應(yīng)確保荷載的施加方式和位置可控，以滿足試驗需要。選擇控制截面后，需要進行合適的荷載施加和試驗參數(shù)設(shè)置，通常包括施加載荷的類型、大小和施加速度等，以保證試驗結(jié)果的準確性和可靠性。

2.1.2 確定試驗荷載

在荷載試驗階段，檢測人員以橋梁控制橫截面的變形、內(nèi)力等為依據(jù)，組合計算各項參數(shù)數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)內(nèi)力影響線進行布載分析，得出最終試驗荷載。此外，為了提高荷載試驗的效果，檢測人員需結(jié)合具體的情況選擇最佳的荷載效率系數(shù)，一般該系數(shù)為0.80～1.05。

2.1.3 靜載試驗結(jié)果的評價與分析

在靜載試驗中，校驗系數(shù)是指在試驗荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)變（應(yīng)力）或變形實測值與相應(yīng)的理論計算值的比值，可用于評價與分析橋梁的使用情況。如果系數(shù)大于1，說明橋梁性能較差，安全性不足；如果系數(shù)等于1，說明滿足使用要求；如果系數(shù)小于1，說明結(jié)構(gòu)性能比較好，承載性能還存在一定富余量，有較高的安全儲備。一般來說，不同的橋梁結(jié)構(gòu)，其撓度、校驗系數(shù)有一定的差異，所以要通過具體的試驗對橋梁的使用狀況進行分析[2]。

2.2 動載試驗的方法

目前，主要應(yīng)用跑車試驗、脈動試驗、跳跑車試驗等動載試驗方法。在動載試驗開始之前，需要明確試驗的目的和要求，并根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的試驗方法。

跑車試驗主要是基于車輛在橋梁路面行駛過程中產(chǎn)生的振動，通過獲取橋梁的振動衰減、振動響應(yīng)等數(shù)據(jù)，分析橋梁是否能夠滿足使用要求。在外部影響因素的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生輕微的振動，這種振動被稱為脈動。通過分析脈動特性，可以了解橋梁結(jié)構(gòu)的運行性能。脈動頻率中包含許多信息，其中最主要的是固有頻率諧量，檢測人員可通過脈沖試驗分析橋梁的固有頻率諧量，進而分析其健康狀況。

在跳車試驗中，需要在橋梁上選取合適部位，安裝三角墊塊，然后讓試驗車輛的后輪從墊塊中下落，以沖擊橋梁結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生豎向振動。通過分析相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，了解橋梁結(jié)構(gòu)的振動情況，對橋梁結(jié)構(gòu)的振動特征進行分析，以了解橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。

3 工程概況

某橋梁項目建設(shè)長度為155m，由兩座不同時期建設(shè)的橋梁共同組成，兩座橋梁間隔3.35m 的距離，跨徑相同，應(yīng)用的是預應(yīng)力簡支T 梁的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過對現(xiàn)場勘察了解到，該橋梁采用的是雙柱式加蓋梁墩、臺和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面采用雙向車道的形式，寬度分別為9m、7m，南北兩側(cè)設(shè)置人行道。該橋梁投入運營的時間比較長，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)損壞問題比較嚴重，故對其進行荷載試驗分析。

4 案例橋梁試驗檢測

4.1 檢測內(nèi)容

在荷載試驗檢測環(huán)節(jié)，通過動靜載試驗，分析主梁結(jié)構(gòu)承載性能，確定橋梁主體結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)，以便為后續(xù)的維護和保養(yǎng)提供依據(jù)。

4.2 布置測點

對橋梁進行綜合分析，掌握橋梁主體結(jié)構(gòu)的運行情況，并合理進行測點位置的布設(shè)。按照試驗檢測的要求，將橋墩從南到北編號為1～12 號，橋臺為0～13號。按照現(xiàn)場試驗標準，選擇11 號跨和10 號跨進行檢測。選擇兩點為位移檢測點，設(shè)置在簡支梁的支點、跨中截面的部位，監(jiān)測點位的數(shù)據(jù)信息。

4.3 加載試驗

在橋梁主體結(jié)構(gòu)荷載試驗中，選擇跨中加載方式，加載重量為20t。分析橋跨主體結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)，進而分析其質(zhì)量情況。

對主梁結(jié)構(gòu)進行承載力試驗檢測，采用加載車載重量的方式。

5 靜荷載試驗結(jié)果分析

5.1 荷載分布

5.1.1 荷載試驗系數(shù)分布情況

第一，現(xiàn)場進行取樣檢測，掌握各項測試的數(shù)據(jù)信息，并確定計算、分析方案。第二，跨中截面計算環(huán)節(jié)，采用彈性連續(xù)性計算方式。第三，在此次試驗檢測過程中，將荷載系數(shù)分為人群系數(shù)與汽車系數(shù)。人群系數(shù)1、2、3 號梁分別是0.713、0.457、0.2；汽車系數(shù)1、2、3 號梁分別是0.47、0.476、0.4。

5.1.2 分析結(jié)果

通過對各項試驗系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，偏載發(fā)生后，一般會在三片梁中傳輸，說明橋梁的橫向剛度不高。根據(jù)荷載試驗測試結(jié)果，荷載橫向分布的計算結(jié)果與實測結(jié)果存在較大誤差，這是因為與荷載中心距離較遠的梁體結(jié)構(gòu)分擔荷載能力不足[3]。

5.2 主梁承載力試驗

對主梁結(jié)構(gòu)進行加載試驗，確定其彎矩參數(shù)。

荷載試驗效率處于0.96～1.18 之間，荷載增加的情況下彎矩也隨之升高，這時的試驗彎矩達到了規(guī)定標準。

計算、分析位移參數(shù)，得出加載效率符合相關(guān)標準。計算撓度校驗系數(shù)，處于0.621～1.28 之間，得出橋梁承載性能不足20t。

5.3 應(yīng)力應(yīng)變

應(yīng)力應(yīng)變檢測階段，現(xiàn)場試驗環(huán)節(jié)通過電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成，進行10、11 號跨的應(yīng)力應(yīng)變檢測，設(shè)置5 個測點。分析試驗結(jié)果，計算值小于跨中應(yīng)變最小值，說明橋梁荷載能力不能達到工程要求。

5.4 混凝土應(yīng)變檢測

目前，應(yīng)變檢測主要應(yīng)用應(yīng)變測試分析系統(tǒng)、電阻應(yīng)變片系統(tǒng)。對10、11 號跨的混凝土結(jié)構(gòu)進行檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，跨中混凝土應(yīng)變最大值和計算值相同，說明10、11 號跨的混凝土結(jié)構(gòu)達到承載力性能標準。同時，檢測上述混凝土結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大值，得出該結(jié)構(gòu)存在裂縫。

5.5 綜合評定

經(jīng)試驗檢測與綜合分析，認為該橋梁的承載性能不能達到標準要求。如果依然投入使用，容易引發(fā)安全事故，所以要及時進行修復處理。

6 動荷載試驗

6.1 基本內(nèi)容

第一，檢測橋梁在動荷載條件下的自振頻率。

第二，采用載重汽車，以不同速度對10、11 號跨進行行駛激振，獲取沖擊荷載參數(shù)信息，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)信息，用以分析橋梁特性[4]。

6.2 橋梁阻尼比和自振頻率

分析橋梁動力特性時，目前主要應(yīng)用自譜分析法，基于車輛的不同速度行駛速度，進行時域波形和自譜分析。按照目前的車載運行條件分析，設(shè)定阻尼比與自振頻率參數(shù)，按照試驗標準和規(guī)范展開試驗操作。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，該橋梁的阻尼比超出正常范圍，自振頻率也大于正常值。同時，將實際測量頻率與計算頻率對比分析，發(fā)現(xiàn)實際測量頻率較小，說明橋梁的剛度不足。

6.3 通行汽車的沖擊系數(shù)

從橋梁位移測試、動荷載應(yīng)變測試的測點中挑選3 個信號相對好的測點，分析相應(yīng)數(shù)據(jù)，動荷載應(yīng)變參數(shù)為1.26。通過分析應(yīng)變波形，確定汽車對橋梁的沖擊系數(shù)為1.21。

6.4 分析動荷載試驗數(shù)據(jù)

經(jīng)過對橋梁動荷載試驗數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，該橋梁的自振頻率相對較小，說明結(jié)構(gòu)性能較差。經(jīng)過對每項數(shù)據(jù)展開分析，結(jié)合設(shè)計規(guī)范和與現(xiàn)場檢查結(jié)論，得出該橋梁損壞情況嚴重，承載性能不達標，應(yīng)及時采取養(yǎng)護措施。

7 動靜荷載試驗結(jié)論

第一，將試驗檢測結(jié)果與相關(guān)標準對比，得出該橋梁的承載性能不合格。

第二，因T 梁腹板結(jié)構(gòu)的尺寸比較小，主梁結(jié)構(gòu)的承載性能已經(jīng)無法達到設(shè)計要求，該橋梁如果繼續(xù)使用，易引發(fā)安全事故。

第三，按照我國當前的相關(guān)標準規(guī)定，該橋梁應(yīng)滿足Ⅱ級荷載標準，但經(jīng)過荷載試驗分析，其已無法達到該要求，將確定該橋梁為危橋。

8 橋梁檢測動靜荷載試驗控制措施

8.1 提高檢測人員技術(shù)水平

在橋梁動靜荷載檢測過程中，檢測人員技術(shù)水平對檢測結(jié)果有直接影響。檢測人員需要具備較高的操作水平，以保證各項檢測數(shù)據(jù)的精準性。因此，相關(guān)單位必須加強對檢測人員的思想教育和執(zhí)業(yè)能力培訓，并定期對各級檢測人員進行綜合性的考核、評估，促進檢測人員不斷提高自身綜合素質(zhì)和工作能力，保證各項檢測工作順利開展[5]。

8.2 加強設(shè)備應(yīng)用和管理

在橋梁荷載檢測過程中，設(shè)備儀器有重要作用，對檢測效果產(chǎn)生直接影響。為了提高檢測結(jié)果的精確性，必須對儀器設(shè)備進行規(guī)范化、標準化管理。在儀器設(shè)備的應(yīng)用過程中，需要做好各方面的管理工作，落實各項維護和保養(yǎng)措施，確保設(shè)備正常運行。

第一，采購設(shè)備時，需要關(guān)注設(shè)備的性能和質(zhì)量，以提高檢測的水平。第二，設(shè)備進入檢測現(xiàn)場后，檢測人員需要對設(shè)備進行全面檢查。第三，儀器設(shè)備使用過程中，檢測人員應(yīng)嚴格按照規(guī)范化流程進行操作，提高檢測效果。第四，為了保持設(shè)備的精度和性能，需定期組織設(shè)備保養(yǎng)工作，包括清潔、潤滑和調(diào)整精度等，為精準檢測提供保障。

9 結(jié)語

橋梁工程作為重要基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)數(shù)量日益增多，對社會的發(fā)展有重要意義。但是在橋梁投入使用后，由于交通量、超載車輛的增多，橋梁的損壞問題非常嚴重，案例橋梁的表現(xiàn)尤為典型。分析對案例橋梁實施動靜荷載試驗檢測的方法、過程和結(jié)果，同時驗證加強動靜荷載檢測方法的應(yīng)用，分析各項試驗數(shù)據(jù)，以期為相關(guān)工作人員提供參考，在工作中及時掌握橋梁的使用情況，為橋梁維護提供依據(jù)，從而保障橋梁的安全、穩(wěn)定運行。