橋梁靜動載試驗檢測方法及實例分析

摘 "要：橋梁靜動載試驗是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)或?qū)嶋H承載能力的一種試驗手段。該文綜述橋梁靜動載試驗的試驗?zāi)康?、測試項目和注意事項。結(jié)合實例通過對跨線橋進(jìn)行載荷試驗，用有限元軟件MIDAS對檢測橋梁進(jìn)行建模分析計算，與實測試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對該跨線橋的實際承載力狀態(tài)做出評定，所檢驗橋梁滿足設(shè)計荷載作用下的運(yùn)營要求，該文對同類型橋梁承載力驗算具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：橋梁；靜載試驗；動載試驗；試驗檢測；橋跨結(jié)構(gòu)

中圖分類號：F426.9 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0079-04

Abstract： Bridge static and dynamic load test is a test method to test the working state or actual bearing capacity of bridge structure. This paper summarizes the test purpose， test items and matters needing attention of bridge static and dynamic load test. Combined with an example， through the load test of the cross-line bridge， the finite element software MIDAS is used to model， analyze and calculate the tested bridge， compare with the measured test data， and evaluate the actual bearing capacity state of the cross-line bridge. The tested bridge meets the operation requirements under the design load. This paper has a certain reference value for the checking and calculation of the bearing capacity of the same type of bridge.

Keywords： bridge; static load test; dynamic load test; test detection; bridge span structure

橋梁荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗。為使橋梁荷載試驗順利實施，首先要做好試驗的總體設(shè)計和組織工作。試驗組織者需熟悉荷載試驗的各個方面，做好準(zhǔn)備階段（前期準(zhǔn)備和現(xiàn)場準(zhǔn)備）、荷載試驗階段（靜載試驗和動載試驗）和成果階段（數(shù)據(jù)處理、分析及荷載試驗結(jié)果）3個階段的工作，如圖1所示。

其中準(zhǔn)備環(huán)節(jié)是十分重要的基礎(chǔ)工作，試驗準(zhǔn)備的好壞將直接影響整個試驗的質(zhì)量。作為中心環(huán)節(jié)，加載試驗階段是試驗成敗的關(guān)鍵，實際也是對各項準(zhǔn)備工作、試驗隊伍素質(zhì)的考核。試驗成果最終會體現(xiàn)在試驗數(shù)據(jù)上，當(dāng)然也是進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)評估的基礎(chǔ)。

實橋荷載試驗組織準(zhǔn)備工作一般包括試驗前準(zhǔn)備和現(xiàn)場準(zhǔn)備。前期準(zhǔn)備工作主要有：資料收集，試驗方案擬定，儀器配套以及相應(yīng)的試驗計算等?，F(xiàn)場準(zhǔn)備工作則有：荷載準(zhǔn)備，工作腳手架和橋檢車，測點、測點布置等。

對于新建橋梁，通過荷載試驗檢驗橋跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量，確定工程的可靠性，為橋梁順利的投入運(yùn)營提供可靠依據(jù)，同時為橋梁的長期監(jiān)測提供完整的初始數(shù)據(jù)，也為同類型橋梁設(shè)計與施工積累實測試驗資料[1]。

1 "靜載試驗

試驗荷載靜止停止在橋上預(yù)定的位置，測得一些控制截面的應(yīng)力、應(yīng)變及其撓度，與對應(yīng)理論計算值的分析和比較，來判斷橋梁在靜載作用下的工作狀態(tài)。

1.1 "橋梁靜載試驗?zāi)康?/p>

了解橋梁在荷載作用下的實際工作狀態(tài)，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力是否符合設(shè)計要求。靜力試驗荷載效率系數(shù)宜取0.85≤η≤1.05，此時判定橋梁承載能力滿足要求，否則應(yīng)判定橋梁承載能力不滿足要求[2-3]。

1.2 "撓度觀測和應(yīng)變（應(yīng)力）觀測

控制斷面彈性撓度（或應(yīng)變）是衡量橋梁結(jié)構(gòu)實際結(jié)構(gòu)（或強(qiáng)度）的重要指標(biāo)。具體衡量指標(biāo)為試驗荷載作用下各主要控制斷面測點彈性撓度（或應(yīng)變）的實測值與計算值的比值。斷面應(yīng)力的計算值和實測值應(yīng)列在同一張表內(nèi)并做成曲線，以便比較[4]。

式中：Se為試驗荷載作用下控制測點的實測彈性撓度（或應(yīng)變）值；Ss為試驗荷載作用下控制測點的理論計算彈性撓度（或應(yīng)變）值。

對撓度觀測而言，結(jié)構(gòu)剛度校驗系數(shù)不大于1，說明橋梁結(jié)構(gòu)的豎向靜力剛度有安全儲備；大于1，則表明剛度不足。對應(yīng)變（應(yīng)力）觀測而言，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗系數(shù)不大于1，表明橋梁結(jié)構(gòu)實際強(qiáng)度有安全儲備，否則表明強(qiáng)度不足[2，5]。

2 動載試驗

對橋梁施加激振力而使橋梁發(fā)生振動，測試橋梁在車輛荷載等作用下的動力參數(shù)（阻尼比、固有頻率、振型和動力沖擊系數(shù)等），從而確定其工作狀態(tài)。

2.1 橋梁動載試驗?zāi)康?/p>

檢驗橋梁在成橋狀態(tài)下的實際工作性能和工程質(zhì)量是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營要求；識別結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有狀態(tài)，為今后的維修和養(yǎng)護(hù)提供原始參考資料[6－7]。

2.2 測試項目[2]

2.2.1 脈動試驗

通過脈動試驗，采集橋跨結(jié)構(gòu)的實際頻率及阻尼比，是一種簡易而可靠的方法。

2.2.2 跑車試驗

試驗時，用1輛載重汽車分別以20、30、40 km/h等不同速度勻速行駛過橋，以測試橋梁結(jié)構(gòu)測點的動應(yīng)變時程信號。

2.2.3 跳車試驗

試驗時，利用試驗車輛的后輪從三角墊塊上突然下落對橋梁產(chǎn)生沖擊作用，記錄所有測點的動態(tài)響應(yīng)，跳車試驗車輛和跳車墊塊如圖2所示。

2.2.4 剎車試驗（制動試驗）

用加載車輛駛到跨中截面時，突然制動，測試制動時的動態(tài)響應(yīng)時程曲線。

3 實例分析

某跨線橋橋面路幅布置：0.5 m（防撞護(hù)欄）+11 m（機(jī)動車道）+3 m（中央分隔帶）+11 m（機(jī)動車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）=26 m。橋梁結(jié)構(gòu)橫向分為左、右2幅，左、右幅橋面板結(jié)構(gòu)之間在路線中心線處設(shè)2 cm寬縱向構(gòu)造縫。橋梁全長90 m，孔跨布置：左、右幅均為3×30 m=90 m，連續(xù)箱梁，橋面橫坡為2%。

3.1 靜載試驗

靜載試驗是按照預(yù)定的試驗方案，將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置，觀測橋梁結(jié)構(gòu)的位移（撓度和變形）、應(yīng)變（應(yīng)力）、裂縫等參數(shù)的試驗方法，然后根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的技術(shù)要求判斷橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力以及荷載作用下的工作性能。采用有限元軟件MIDAS對該跨線橋進(jìn)行建模計算分析，有限元計算模型如圖3所示。

該跨線橋靜載試驗工況以左幅1#跨為例，測試項目為左幅1#跨最大正彎矩，布載方式為正載。左幅1#跨跨中最大正彎矩測試（正載）車輛布置和車輛荷載影響線。

3.1.1 應(yīng)變觀測

最大正彎矩測試的應(yīng)變觀測截面為試驗跨的L/2截面，負(fù)彎矩測試的應(yīng)變觀測點為墩頂截面，應(yīng)變觀測點布置如圖4所示。

3.1.2 撓度觀測

撓度采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。撓度觀測點在試驗跨支點和跨中、四分點位置，試驗跨撓度測點布置如圖5所示。

3.1.3 試驗規(guī)定

1）預(yù)加載。正式加載試驗前，用2輛試驗重車分別對加載幅橋梁進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載的目的為使橋梁結(jié)構(gòu)能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并檢查整個試驗、測試系統(tǒng)能否正常進(jìn)行。

2）加載、卸載分級和重復(fù)加載。正式加載時采取分級加載方式，按方案原則分成3級。每個加載工況采用了分級卸載方式，卸載分為2級（50%和0試驗荷載）。

3）加載、卸載時，每個工況均要求穩(wěn)定讀數(shù)和回零讀數(shù)。加卸載讀數(shù)控制均以撓度值控制。

3.1.4 靜載試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

該工況在試驗荷載作用下各測點控制截面的應(yīng)變實測值與理論值如圖6所示，縱向撓度實測值與理論值如圖7所示。

1）應(yīng)變數(shù)據(jù)分析。根據(jù)CJJ/T 233—2015《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，試驗荷載作用下，通過對該工況滿載時下各測點應(yīng)變實測值與理論值對比曲線分析，應(yīng)變校驗系數(shù)？灼應(yīng)不大于1。該工況試驗荷載作用下實際的應(yīng)變校驗系數(shù)？灼在0.76～0.83，滿足要求。

相對殘余應(yīng)變Sp′最大為0.07，小于容許值0.2，滿足要求。

2）撓度數(shù)據(jù)分析。根據(jù)CJJ/T 233—2015《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，試驗荷載作用下，通過對該工況滿載作用下縱向撓度曲線與理論值對比曲線分析，撓度校驗系數(shù)？灼應(yīng)不大于1。該工況試驗荷載作用下實際的撓度校驗系數(shù)？灼在0.75～0.81，滿足要求。

相對殘余變位Sp′最大為0.08，小于容許值0.2，滿足要求。

3.2 "靜載試驗小結(jié)

1）在靜載試驗工況每級荷載作用下，左幅1#跨主梁的應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)最大值均小于1，左幅1#跨主梁的實際剛度和強(qiáng)度比理論預(yù)測值大，表明該橋跨結(jié)構(gòu)實際強(qiáng)度和剛度有安全儲備。

2）相對殘余變位均未超過20%，說明結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)良好。

3）測點實測應(yīng)變值與其理論值呈線性關(guān)系，有一定的安全儲備。

4 "動載試驗

4.1 "試驗內(nèi)容

①脈動試驗；②跑車試驗（無障礙行車）；③跳車試驗（有障礙行車）；④剎車試驗（制動試驗）。

4.2 "測點布置

在試驗跨的跨中截面位置布置DH610V型傳感器，并在跨中位置布置應(yīng)變傳感器，測試各工況下橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性和動力特性。

4.3 "動載試驗結(jié)果

4.3.1 "脈動試驗

通過脈動試驗，采集橋跨結(jié)構(gòu)的實際頻率及阻尼比。通過對左幅1#跨脈動試驗速度時程曲線進(jìn)行頻譜分析，可得左幅1#跨一階頻率實測值為4.90 Hz，阻尼比為1.27%。

4.3.2 "跑車試驗

用1臺載重汽車分別以20、30 km/h的速度在該橋試驗跨上勻速通過，通過對跨中測點的動應(yīng)變時程曲線進(jìn)行分析，測試橋梁結(jié)構(gòu)的受迫振動特性，如沖擊系數(shù)。以20 km/h速度在該橋試驗跨上勻速通過時的沖擊系數(shù)為1.034，以30 km/h速度在該橋試驗跨上勻速通過時的沖擊系數(shù)為1.037。

4.3.3 "跳車試驗

用1輛靜載試驗的載重汽車，在試驗跨跨中位置進(jìn)行跳車試驗，通過跳車對橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵，測試橋跨結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。通過對左幅1#跨跨中的跳車試驗速度時程曲線進(jìn)行頻譜分析，可得頻率實測值為4.90 Hz。

4.3.4 "剎車試驗

用1臺載重汽車，以一定的速度勻速行駛在橋梁上，到達(dá)測試跨跨中附近時緊急剎車，通過剎車對橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵，測試橋跨結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。通過對左幅1#跨跨中的剎車試驗速度時程曲線進(jìn)行頻譜分析，可得頻率實測值為4.90 Hz。

4.4 "動載試驗小結(jié)

該跨線橋動載試驗，各測試項目測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況見表1。

由表1可知。

1）該橋脈動試驗結(jié)果顯示，跨線橋一階豎向振動頻率實測值為4.90 Hz，理論設(shè)計值為3.10 Hz，實測值為理論計算值的1.58倍，實測頻率高于設(shè)計頻率，表明橋跨結(jié)構(gòu)實際剛度高于設(shè)計剛度；跨線橋阻尼比為1.27%，處于正常范圍。

2）跑車試驗中沖擊系數(shù)測試結(jié)果顯示，該試驗跨分別以20、30 km/h速度得到的實測沖擊系數(shù)均小于計算值，說明該橋橋面行車狀況較好。

3）該橋在跳車、剎車試驗作用下，實測頻率與脈動試驗頻率相適應(yīng)，跳車荷載的作用下橋梁結(jié)構(gòu)無異?，F(xiàn)象發(fā)生，結(jié)構(gòu)動力性能良好。

5 "結(jié)論

橋梁試驗檢測是橋梁施工控制、新橋型結(jié)構(gòu)性能研究、各類橋梁施工質(zhì)量評定、在用橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作的重要手段。通過試驗荷載作用下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件試驗實測結(jié)果與對應(yīng)理論計算結(jié)果的分析和比較，可以評估試驗橋梁的實際承載能力。隨著科技的創(chuàng)新與發(fā)展，橋梁靜動載試驗方法必將得到改進(jìn)和提高，更多簡單有效的評估橋梁承載能力的方法將出現(xiàn)。

通過合理設(shè)計靜動載檢測方法，認(rèn)真做好橋梁靜動載試驗工作，對推動我國橋梁建設(shè)水平，提高建設(shè)投資效益，保證橋梁工程施工質(zhì)量，確保橋梁長期安全運(yùn)營，保障人民生命財產(chǎn)安全，具有十分重要的意義。

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