動靜荷載試驗(yàn)用于橋梁檢測的優(yōu)勢分析

黃劍淇

（閩南理工學(xué)院，福建 泉州 362700）

0 引言

動靜荷載試驗(yàn)作為一種重要的橋梁檢測方法，在評估橋梁承載能力和安全性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著橋梁建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和使用年限的增長，保障橋梁的結(jié)構(gòu)安全和可持續(xù)發(fā)展變得愈發(fā)重要。動靜荷載試驗(yàn)可通過施加不同類型和大小的負(fù)荷，模擬出橋梁在實(shí)際使用狀態(tài)下所受到的力學(xué)效應(yīng)。本文重點(diǎn)介紹動態(tài)荷載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)用于橋梁檢測的具體應(yīng)用，前者用于評估橋梁的振動特性和穩(wěn)定性，后者則用于評估承載能力和變形特性[1]。本研究旨在確保橋梁的安全運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展，為社會交通建設(shè)做出貢獻(xiàn)，為橋梁檢測領(lǐng)域的工程師和研究人員提供有價(jià)值的參考。

1 動靜荷載試驗(yàn)原理

動靜荷載試驗(yàn)是基于荷載-響應(yīng)關(guān)系的方法，通過施加不同類型和大小的荷載，觀察橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變化，從而得出結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和安全性能[2]。動靜荷載試驗(yàn)包括動態(tài)荷載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)兩部分。

1.1 動態(tài)荷載試驗(yàn)原理

振動原理是動態(tài)載荷測試的核心。它涉及在橋梁結(jié)構(gòu)上引起受控振動并分析其對這些振動的響應(yīng)。通過使橋梁承受動力，例如車輛負(fù)載或陣風(fēng)，可以實(shí)時(shí)觀察結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。這一原理依賴于這樣一個(gè)事實(shí)，即每個(gè)結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的振動特性。通過測量固有頻率、阻尼比和振型等參數(shù)，可以推斷出有關(guān)橋梁剛度、阻尼能力和整體健康狀況的關(guān)鍵信息。

頻率分析通過檢查橋梁在不同頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)，在動態(tài)負(fù)載測試中起著關(guān)鍵作用。這涉及以不同的頻率激勵結(jié)構(gòu)并分析由此產(chǎn)生的振動。通過應(yīng)用傅里葉分析或其他信號處理技術(shù)，可以將復(fù)雜的振動信號分解為其組成頻率，從而能夠識別可能影響橋梁動態(tài)行為的共振現(xiàn)象、模態(tài)特性和潛在的結(jié)構(gòu)異常。頻率分析為評估橋梁的動態(tài)特性提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)，例如固有頻率、振型和諧振頻率，這對于了解其對不同載荷條件的動態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要。

振動響應(yīng)模型是橋梁在負(fù)載下的動態(tài)行為的數(shù)學(xué)表示。它通常涉及根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理制定運(yùn)動方程，并應(yīng)用數(shù)值方法或分析技術(shù)來模擬橋梁的響應(yīng)。通過開發(fā)精確的振動響應(yīng)模型，可以預(yù)測橋梁在各種動態(tài)荷載場景下的行為，從而評估其結(jié)構(gòu)性能并識別潛在問題。這些模型是結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能評估的寶貴工具，使工程師能夠就橋梁維護(hù)、修復(fù)或改造策略做出明智的決策。

1.2 靜載試驗(yàn)原理

靜載試驗(yàn)的原理是評估橋梁在靜荷載條件下的結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。與專注于動態(tài)行為的動態(tài)負(fù)載測試不同，靜態(tài)負(fù)載測試評估橋梁如何響應(yīng)穩(wěn)定負(fù)載，例如車輛或行人的重量，而不會引起動態(tài)效應(yīng)。

靜態(tài)平衡原理是靜態(tài)負(fù)載測試的基礎(chǔ)。它涉及對橋梁施加已知的靜載荷并測量其響應(yīng)以確保平衡。根據(jù)這一原理，作用在靜態(tài)平衡結(jié)構(gòu)上的力之和必須為零。因此，應(yīng)仔細(xì)控制和監(jiān)測施加的載荷，以保持平衡并防止橋梁發(fā)生任何意外移動或變形。通過測量靜荷載引起的撓度和應(yīng)變，可以評估橋梁的剛度、承載能力和整體結(jié)構(gòu)完整性。

變形分析是靜載荷測試的一個(gè)關(guān)鍵方面，重點(diǎn)是測量施加載荷引起的結(jié)構(gòu)變形。通過使用各種儀器技術(shù)，如應(yīng)變片、位移傳感器和傾斜儀，來監(jiān)測橋梁對靜載荷的響應(yīng)。通過分析記錄的變形數(shù)據(jù)，可以識別任何可能表明結(jié)構(gòu)缺陷或過度應(yīng)力的過度撓度、旋轉(zhuǎn)或沉降。變形分析可為評估橋梁在靜態(tài)荷載條件下其結(jié)構(gòu)性能和安全性提供參考。

穩(wěn)定性分析是靜態(tài)載荷測試的另一個(gè)重要組成部分，側(cè)重于評估橋梁在施加載荷下的整體穩(wěn)定性。通過評估橋梁的抗傾覆、滑動和坍塌等因素，以確保其穩(wěn)定性和安全性。通過分析橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、力矩和反作用力的分布，可以識別潛在的穩(wěn)定性問題并采取糾正措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。穩(wěn)定性分析考慮了各種因素，包括橋梁的幾何形狀、材料特性、基礎(chǔ)條件和環(huán)境荷載，以評估其在不同荷載下的穩(wěn)定性。

2 動靜荷載試驗(yàn)及分析評估

2.1 前期準(zhǔn)備階段

進(jìn)行橋梁動靜荷載試驗(yàn)需要進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備工作以確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行。主要包括獲取橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)和確定試驗(yàn)方案，以及安裝和校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置。

（1）在實(shí)地調(diào)查和資料收集過程中，需要獲取橋梁的幾何尺寸、材料性質(zhì)和設(shè)計(jì)參數(shù)等基本信息。通過現(xiàn)場測量，可以確定橋梁的長度、寬度、高度等幾何尺寸，并獲取相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)文件和施工記錄等資料。此外，還需要了解橋梁所處的環(huán)境條件，如地質(zhì)情況、交通狀況等，以便評估試驗(yàn)可能遇到的影響因素。

（2）根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)?zāi)康?，制定試?yàn)方案。試驗(yàn)方案應(yīng)明確試驗(yàn)的荷載類型、大小和加載方式，以及監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置。這些都需要根據(jù)橋梁的特點(diǎn)和試驗(yàn)要求進(jìn)行合理選擇，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

（3）根據(jù)試驗(yàn)方案，安裝相應(yīng)的荷載裝置和監(jiān)測儀器。荷載裝置可以根據(jù)試驗(yàn)要求選擇合適的設(shè)備，如靜力加載設(shè)備、振動臺等。在安裝過程中，需要確保荷載裝置的穩(wěn)定性和安全性，并按照試驗(yàn)方案要求進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整。同時(shí)，安裝監(jiān)測儀器也是非常重要的一步。應(yīng)變計(jì)用于測量橋梁的應(yīng)變情況，位移傳感器用于測量結(jié)構(gòu)的變形，加速度計(jì)用于測量結(jié)構(gòu)的加速度等。這些監(jiān)測儀器需要在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b，并校準(zhǔn)以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2 動態(tài)荷載試驗(yàn)階段

（1）在動態(tài)荷載試驗(yàn)階段，按照設(shè)計(jì)方案選擇合適的振動臺來產(chǎn)生不同頻率和振幅的振動荷載。振動臺可以通過電機(jī)或液壓系統(tǒng)控制，根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整振動頻率和振幅。

（2）施加振動荷載后，需要觀測橋梁結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。為此，使用合適的監(jiān)測儀器（如加速度計(jì)、位移傳感器等）來測量和記錄橋梁的振動數(shù)據(jù)。加速度計(jì)可用于測量橋梁在不同位置的加速度變化，位移傳感器可用于測量結(jié)構(gòu)的位移變化。這些監(jiān)測儀器能夠捕捉到橋梁在動態(tài)荷載下的振動特性和響應(yīng)情況。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中需要對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和監(jiān)測。這樣可以獲得關(guān)于振動幅值、振動頻率、相位差等參數(shù)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供參考。

（3）完成數(shù)據(jù)采集后，需要對獲得的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。常見的處理方法包括傅里葉變換、相關(guān)分析等。傅里葉變換可將時(shí)間域上的振動信號轉(zhuǎn)化為頻域上的頻譜，通過觀察頻譜來了解橋梁的頻率特性。相關(guān)分析可用于研究振動信號之間的關(guān)系和相互作用。

（4）根據(jù)數(shù)據(jù)處理和分析的結(jié)果得出結(jié)論。這些結(jié)論包括橋梁的固有頻率、共振情況以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)行為等。這些結(jié)論可以為橋梁設(shè)計(jì)、改進(jìn)和維護(hù)提供重要的參考和依據(jù)。

2.3 靜載試驗(yàn)階段

靜載試驗(yàn)是一種用于評估橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和變形特性的方法。在試驗(yàn)階段，根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定適當(dāng)大小的靜態(tài)荷載，并施加到橋梁結(jié)構(gòu)上。

（1）根據(jù)試驗(yàn)要求選擇合適的靜態(tài)荷載大小。荷載可以通過靜力加載設(shè)備、液壓系統(tǒng)或其他適當(dāng)?shù)姆绞绞┘印８鶕?jù)橋梁的尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)，確定靜態(tài)荷載的大小并保持穩(wěn)定，以確保試驗(yàn)的可行性和準(zhǔn)確性。

（2）在試驗(yàn)過程中，安裝相應(yīng)的監(jiān)測儀器來測量和記錄橋梁的變形和應(yīng)力情況。位移傳感器可用于測量橋梁的位移變化，應(yīng)變計(jì)可用于測量結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變變化，應(yīng)力計(jì)可用于測量橋梁的應(yīng)力情況等。這些監(jiān)測儀器需要正確安裝，并進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

（3）按照設(shè)計(jì)方案施加靜態(tài)荷載，并記錄橋梁結(jié)構(gòu)在加載過程中的變形和應(yīng)力情況。通常會在不同的加載階段進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)測，以獲取全面的變形和應(yīng)力數(shù)據(jù)。

（4）通過對測得的變形和應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以得到橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、變形特性和承載能力等參數(shù)。這些參數(shù)反映了橋梁在靜態(tài)荷載下的響應(yīng)情況，是評估橋梁安全性能的重要依據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和評估結(jié)果，可以判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。如果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在超載、變形異常或應(yīng)力過大等問題，需要及時(shí)采取修復(fù)和加固措施，以確保橋梁的安全使用。

2.4 數(shù)據(jù)分析與評估

在橋梁動靜荷載試驗(yàn)完成后，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析是非常重要的一步。通過數(shù)據(jù)分析與評估，可以深入了解橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和安全性能，并為橋梁的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

（1）對試驗(yàn)過程中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和清理。包括檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，并排除任何異常值或錯誤采樣，確保所使用的數(shù)據(jù)是可靠的和符合要求的。

（2）使用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。常見的分析方法包括描述性統(tǒng)計(jì)分析、頻率分析、回歸分析等。通過這些方法，可以得到關(guān)于橋梁的力學(xué)參數(shù)、變形特性、應(yīng)力分布等方面的有用信息。在數(shù)據(jù)分析的過程中，還可以借助數(shù)值模擬方法和結(jié)構(gòu)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。數(shù)值模擬方法可以通過建立數(shù)學(xué)模型和采用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來模擬橋梁在不同荷載情況下的響應(yīng)行為。結(jié)構(gòu)分析軟件則可以幫助進(jìn)行更精確和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析，以評估橋梁的安全性能。通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬，可以得到橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，如剛度、強(qiáng)度、位移和應(yīng)力等。這些結(jié)果對于評估橋梁的安全性能非常重要。例如，可以通過比較實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高橋梁的安全性和可靠性。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)分析與評估的結(jié)果，可以對橋梁的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。根據(jù)評估結(jié)果，可以確定橋梁是否滿足設(shè)計(jì)要求，并采取必要的措施來解決任何發(fā)現(xiàn)的問題，從而確保橋梁在使用過程中的安全性和可持續(xù)性。

3 動靜荷載試驗(yàn)在橋梁檢測中的優(yōu)勢

橋梁檢測是確保橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠的重要手段之一。動靜荷載試驗(yàn)作為橋梁檢測方法之一，在評估橋梁結(jié)構(gòu)性能和預(yù)測橋梁行為方面具有諸多優(yōu)勢。

3.1 真實(shí)模擬

動靜荷載試驗(yàn)可以模擬真實(shí)的交通荷載情況，包括車輛行駛時(shí)引起的動態(tài)荷載以及靜止車輛引起的靜態(tài)荷載。通過施加不同大小和頻率的荷載，可以更加真實(shí)地模擬橋梁在實(shí)際使用過程中所受到的荷載條件，從而更精確地評估橋梁的承載能力和變形特性。

3.2 全面評估

動靜荷載試驗(yàn)可以全面評估橋梁結(jié)構(gòu)的性能。靜載試驗(yàn)可以評估橋梁在靜態(tài)荷載下的剛度、變形和應(yīng)力等特性，而動載試驗(yàn)則可以評估橋梁在動態(tài)荷載下的振動響應(yīng)和疲勞壽命。通過結(jié)合動態(tài)和靜態(tài)荷載試驗(yàn)，可以得到橋梁結(jié)構(gòu)在不同荷載條件下的全面性能評估結(jié)果，為橋梁的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供重要依據(jù)。

3.3 效果明顯

動靜荷載試驗(yàn)可以直觀地觀測到橋梁結(jié)構(gòu)的變形和響應(yīng)情況。通過合適的監(jiān)測儀器記錄橋梁的振動響應(yīng)、位移和應(yīng)力等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。與傳統(tǒng)的靜態(tài)測試方法相比，動靜荷載試驗(yàn)?zāi)軌蛱峁└庇^、更客觀的檢測效果，有助于揭示橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況和強(qiáng)度等參數(shù)。

3.4 診斷隱患

動靜荷載試驗(yàn)還可以幫助診斷橋梁結(jié)構(gòu)的隱患和缺陷。通過觀察和分析橋梁在荷載作用下的響應(yīng)情況，可以發(fā)現(xiàn)潛在的問題，如裂縫、變形異常、疲勞損傷等。這有助于及時(shí)采取修復(fù)措施，避免事故的發(fā)生，并延長橋梁的使用壽命。

3.5 數(shù)據(jù)可靠性

動靜荷載試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。試驗(yàn)時(shí)使用的監(jiān)測儀器經(jīng)過校準(zhǔn)和質(zhì)量控制，可以提供準(zhǔn)確和可信賴的數(shù)據(jù)。通過進(jìn)行大量的試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室測試，可以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，從而增加數(shù)據(jù)的可靠性。

4 橋梁檢測中動靜荷載試驗(yàn)的注意事項(xiàng)

（1）儀器校準(zhǔn)與質(zhì)量控制：為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對使用的監(jiān)測儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和質(zhì)量控制，包括位移傳感器、應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)等。校準(zhǔn)過程應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并記錄校準(zhǔn)結(jié)果。

（2）試驗(yàn)方案執(zhí)行：在執(zhí)行動靜荷載試驗(yàn)時(shí)，需要嚴(yán)格按照事先制定的試驗(yàn)方案進(jìn)行操作。確保試驗(yàn)荷載施加的順序和方式正確，遵循安全操作規(guī)程，對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)整，并及時(shí)記錄試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果。

（3）安全措施：動靜荷載試驗(yàn)涉及到大型結(jié)構(gòu)和高荷載，因此安全是非常重要的。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，包括穿戴個(gè)人防護(hù)裝備、設(shè)置警示標(biāo)識和屏障、嚴(yán)格控制人員活動范圍等。對于需要爬升或進(jìn)入高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的操作，應(yīng)該配備專業(yè)人員，并使用合適的安全設(shè)備和工具。

5 結(jié)束語

動靜荷載試驗(yàn)作為橋梁檢測與評估的重要手段，能夠準(zhǔn)確評估橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和安全性能。通過動靜荷載試驗(yàn)可以獲取到橋梁的剛度、穩(wěn)定性、承載能力和變形特性等重要參數(shù)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析、評估與改造設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。然而，在進(jìn)行動靜荷載試驗(yàn)時(shí)，需要注意選擇合適的試驗(yàn)方案、測試裝置和監(jiān)測儀器，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，針對不同類型和規(guī)模的橋梁，應(yīng)制定相應(yīng)的試驗(yàn)計(jì)劃和數(shù)據(jù)分析方法，以獲得更加準(zhǔn)確和實(shí)用的結(jié)果。