荷載試驗檢測技術在橋梁技術狀態評估中的應用

尹彬彬 李金濤（北京中交橋宇科技有限公司，北京 100102）

早在20 世紀50年代，人們就意識到橋梁安全檢測的重要性，但鑒于當時的檢測手段比較落后，所以在實際應用上一直受到限制。近年來，隨著大跨度橋梁設計的輕柔化以及形式功能的日趨復雜化，橋梁健康檢測評估顯得越來越重要，成為研究的熱點。橋梁病害問題的越早發現就能夠大大節約橋梁的維修費用。目前各橋梁養護部門都在積極研究完善橋梁養護管理系統，橋梁技術狀態評估是其重要的管理手段。

橋梁工作技術狀態評估是對橋梁的安全性、耐久性、適用性、功能性等各種指標的綜合評估工作。其中橋梁結構的安全性能始終是工程技術人員最關系的核心問題，也是橋梁能夠正常服務于交通需要的根本保證。隨著交通運輸的不斷發展，新的設計理論、設計思想、施工技術不斷應用于橋梁結構中，結構更加新穎、結構更為復雜的橋梁形式不斷出現，我國橋梁的整體水平不斷提高的同時，也給橋梁技術評估工作提出了更高的要求。

1 橋梁荷載試驗

橋梁荷載試驗就是在試驗的橋梁結構上，以儀器設備為工具，利用各種試驗技術手段，在試驗荷載的作用下，通過測量與結構工作性能有關各種參數（變形、撓度、應變、振幅、頻率……），從強度、剛度、穩定性和抗裂性以及結構破壞形態來判明建筑結構的實際工作性能，確定結構的承載力，評估結構對使用要求的符合程度，并用以檢驗和發展結構的計算理論。

橋梁荷載試驗有靜載試驗、動載試驗之分。

靜載試驗是目前應用較為廣泛的試驗方法，其方法可靠、準確性高。他通過對橋梁進行試驗加載模擬橋梁實際運營下可能的荷載狀況或設計荷載狀況，來評定橋梁的承載能力，主要測試靜態荷載下橋梁的結構性能。

動載試驗也逐漸被人們應用到橋梁承載能力評定中，它通過模擬橋梁受到的振動荷載，得到橋梁的振動特性和動力響應，以此來評定橋梁的動力特性，隨著人們對其研究的深入，橋梁動載試驗越來越受到人們的重視。

2 荷載試驗的主要任務

對于橋梁安全性能的評估，最主要是對橋梁承載能力進行評定，近些年來，我國先后開展了“橋梁承載力評定”等課題的研究，大量舊橋通過承載能力評定又重新投入了運營，為國家節約的大量的資金。不同橋梁承載能力評定方法不盡相同，主要應包括三方面內容：橋梁現狀調查、承載能力檢算和荷載試驗，對于典型橋梁、舊橋、特殊結構橋梁一般均需要進行荷載試驗來評定其承載能力。主要應用于以下幾類橋梁：

1）新建的大跨徑橋梁，尤其對獨特設計和新的施工工藝、施工材料的新建橋梁實行驗收荷載試驗。

2）缺乏設計與施工技術資料的舊橋，或難于采用計算方法評定其能否承受預定的增大荷載的舊橋實行鑒定荷載試驗。

3）運營情況較好，要提高其運營等級的橋梁，需進行鑒定荷載試驗。

4）對設計或施工有質量問題疑問的橋梁或遭受意外荷載（如荷載撞擊）時，進行鑒定荷載試驗。

3 荷載試驗主要工作內容、步驟及評定方法

梁結構和在試驗大致應分為三個階段：橋梁結構的考察、方案設計及準備工作階段；加載試驗與觀測階段；試驗結果的分析與總結階段。

第一步試驗準備，試驗前應做好準備工作，因為橋梁的荷載試驗是一項復雜的技術工作，涉及到的人員、設備較多，還會對交通等產生一定的影響，因此為保證荷載試驗的順利進行，必須進行充分的準備，主要包括資料調查、現狀情況調查及材料試驗，加載設計等工作。

3.1 資料調查

橋梁的資料調查應該盡可能的周密、細致、準確，主要應包括：該橋的設計資料、竣工資料、維修加固資料以及過去的荷載試驗資料等。這里特別要提出的是，對于要進行承載能力鑒定的橋梁應對其進行交通量的調查，統計出經常通過車輛的車型、載重及交通量，這對于我們評估橋梁的實用性和確定試驗荷載有很大的幫助。

3.2 現狀情況調查

橋梁現狀情況調查是荷載試驗前必要的工作，以確定橋梁的各主要承重構件是否有較大的損傷，是否影響到橋梁的承載性能，如主梁截面是否受損而使截面減小，鋼筋銹蝕使鋼筋直徑明顯減小等。

3.3 材料試驗

對于橋梁相關資料不全、橋梁經過多年運營材料性能出現退化或對實際狀況產生懷疑要進一步確定橋梁的材料特性時，需進行橋梁材料試驗，試驗一般采用無損檢測技術，如利用超聲波對混凝土強度進行鑒定等。

在對橋梁進行了充足的實驗準備后方可進行荷載試驗。

3.4 加載設計

3.4.1 測點布置

對于橋梁加載工況和測點布置根據的橋梁類型不同而不同，但應注意的是：在滿足鑒定橋梁承載能力的前提下，加載項目安排應抓住重點，不宜過多，一般應對其主控截面加載，其中①截面最大應力（應變）：作為衡量結構強度的指標；②截面最大撓度：作為衡量結構剛度的指標和推定活載橫向分布情況；③裂縫觀測：從安全角度考慮，對可能使裂縫發生、發展的主梁跨中截面進行裂縫觀測，作為加載控制條件之一。

3.4.2 試驗荷載效率

試驗荷載與設計荷載對橋梁產生效果的比較通過荷載試驗加載效率系數ηq來表示，靜載試驗效率采用下式計算：

式中：Ss—試驗荷載作用下控制截面內力計算值；

S—控制荷載作用下控制截面最不利內力計算值；

μ—沖擊系數；

一般ηq 值可采用0.8～1.05 之間，當橋梁調查、檢算工作比較完善時，可采用低限；當橋梁的調查、檢算工作不充分活資料不全時，取上限。對于一般橋的承載能力鑒定時，不應小于0.95。

3.4.3 試驗加載分級控制

為了加載安全和了解結構應變和便尾隨加載內里增加的變化關系，對橋梁主控截面的加載應分級，而且一般安排在開始的幾個加載程序中執行。

第二步進行現場檢測，準備工作就位后，即可進行試驗，按照事先制訂的試驗方案按步驟進行，主要應包括如下方面：

1）儀器安裝和調試

按照預定方案，在應變測點和撓度測點分別安裝測試儀器。

試驗儀器能否正常工作是試驗的成功關鍵，因此在本次試驗前對所有測試儀器、設備都進行了標定和調試，以確保儀器工作正常。

2）車位放樣

按照設計加載車位，在現場進行測量放樣，并采用噴漆進行標記。

3）零荷載初讀值

測量、記錄、安全員等全體工作人員進入各自崗位，各司其職，整個測試系統開始啟動。在正式加載前進行初讀數。

4）加載

按照預定加載分級方案逐級進行加載。由專人指揮加載車輛，按照標定位置順序進行加載。

5）終止加載控制條件

①控制測點應力值達到或超過用彈性理論按規范安全條件反算的控制應力值；

②控制點變位（或撓度）超過規范允許值；

③由于加載使裂縫長、寬急劇增加，新裂縫大量出現，縫寬超限裂縫大量增多；

④不正常的響聲，墩臺是否搖晃，發生其它損壞情況。

6）穩定后讀數

當讀數波動值在測試儀器的精度范圍內，結構變形和應變處于相對穩定狀態，進行數據讀取。

7）卸載

完成全部加載工況后，加載車退出至橋臺后10m 處，待結構穩定后讀取殘余應變值。

8）恢復交通，拆除儀器。

3.4.4 荷載試驗成果分析及評定

當現場全部檢測結束后，應對所采集的數據進行整理分析，然后對荷載試驗成果進行分析與評定。一般應進行如下工作：

1）校驗系數η 評定

校驗系數一般按下式計算

η ＝S 實測/S 理論

試中：S 實測—試驗荷載作用下實測的變位值；

S 理論—試驗荷載作用下理論計算變位值。

一般情況下在同一荷載下實測值與理論計算值應接近，η≤1 時，結構滿足使用要求，η＞1時，應根據實際情況降級使用，限速限載并進行加固或改建。η 值越小，結構安全儲備越大。

2）實測值與理論值關系曲線評定

由于理論的變位一般按線性變化關系計算，所以如果實測變位與理論值成正比，關系曲線接近直線，說明結構處于良好的彈性工作狀態。

3）殘余變形評定

實測殘余變形(Sp)與實測總變形(Stot)的比值越小結構越接近彈性工作狀態，一般要求≤0.2。當大于0.2 時，應查明原因，確定橋梁強度不足時，評定中應酌情降低橋梁的承載能力。

4）裂縫評定

試驗荷載作用下裂縫寬度均不應超過規范值的規定。

5）當試驗項目較全或有特殊需要時還應對基礎及穩定性進行評定。

表1 校驗系數表

6）進行動荷載試驗的橋梁進行相應的動態性能評定。

以上為橋梁評定的基本方法，例如北京某橋的荷載試驗中的校驗系數（見表1 及圖1）。

圖1 四級撓度曲線

在試驗荷載作用下，撓度校驗系數均小于1。滿載時，撓度校驗系數平均值為0.29，說明該結構在試驗荷載作用下變形情況良好。關系曲線（見圖2）。

圖2 各級荷載下撓度關系曲線

可以看出主梁的跨中撓度基本呈線性變化，說明結構彈性工作狀態良好。殘余變見表2

表2 殘余變形數據表

試驗中我們得到的殘余變形局小于0.2，結構彈性工作狀態良好。

試驗荷載作用下裂縫寬度均未超過規范值的規定。進行荷載試驗及評定后，最終確定該橋技術狀態良好，承載能力滿足要求，進行適當維修后即可正常使用。

4 荷載試驗局限和不足

通過以上實例我們可以看出，荷載試驗對鑒定橋梁實際承載力，評估橋梁技術狀態起到極其重要的作用，它能夠準確測試橋梁的實際運營狀態下的各種參數，為橋梁技術人員提供了大量豐富的實測數據，根據這些技術資料，我們不僅可以更加科學、合理的管理、使用我們的橋梁設施，更能夠不斷總結經驗，推動我們設計理論水平的不斷提高，具有很高的社會和經濟價值。

同時我們應看到，雖然橋梁荷載試驗目前被廣泛應用，但仍有些問題需要解決。

4.1 靜荷載試驗

1）目前橋梁的靜態荷載試驗嚴格意義上來講仍是一個短期荷載，不能完全代表長期荷載下的作用，尤其是對鋼結構等具有疲勞破壞特性的結構而言，不能完全反映結構的極限性能、疲勞性能以及耐久性指標等對結構承載力的影響。

2）對于橋梁檢算過程中的規定比較原則，對橋梁檢查中所采集的數據如何進行應用、系數定量方面不足。往往根據現場檢測工程師的經驗進行，但這種判斷帶有較大的主觀性，有很引人的經驗、認識得不同產生差異，使檢算結果產生較大的偏差，甚至出現相反的判定結果。

3）荷載試驗存在費用高、設備量龐大、對交通影響巨大的缺點。往往由于資金問題，使各管理部門不得不選擇的進行此項工作。

4.2 動載試驗

1）首先目前規范采用的以結構自振頻率或結構位移模態為基礎的損傷識別指標體系不夠理想。

2）動載試驗中對結構的定性分析比較容易，但難以對其進行定量分析。

3）環境因素對橋梁結構的動力特性影響較大。由于目前動載實驗中，所用傳感器對橋梁結構中低頻信號敏感程度有限，其他干擾因素如風載、材料、行走等都會對其產生一定的干擾，這對我們如何將有效結構信號分離帶來了不少的困難。

4）動載試驗對橋梁局部問題研究應用有限，對用于橋梁整體結構分析。

5）另外還存在不確定因素較多，儀器設備精度不足等缺點。

5 荷載試驗發展前景

隨著計算機技術的進步，先進的數字化儀器廣泛應用，以及人們經驗不斷的豐富，理論的提高，和在實驗中的局限正不斷地被克服，起到的作用也越來越廣泛。

1）荷載試驗被運用到一些疑難問題的處理上，包括結構的局部問題、特殊構想受力性能的問題的研究上，取得了很好的效果。

2）目前針對不中斷交通，通過運營車輛進行長期信號監測進行承載力評價的研究正在進行中，這將會使荷載試驗對交通的影響程度降到最低。

3）荷載試驗技術的不斷成熟、規范，檢測人員在實際工作中遵循的依據標準相對統一，減少人為因素，使其在橋梁技術狀況評估中竟更加有針對性和可操作性。

4）更加輕便、靈活、耐用的檢測儀器不斷涌現，使檢測工作的設備投入、人員投入減少，工作簡單化，從而減小了荷載試驗的費用。

5）動荷載試驗作為對橋梁整體性能的研究，對我們研究動態結構理論有重要作用。另外動態測試在橋梁健康狀況的長期監測上也有明顯的優勢。

相信不久更加成熟、規范的荷載試驗技術將在橋梁技術狀態評估工作中取得越來越重要的作用。

[1]交通部，《公路橋涵養護規范》JTG H11-2004，北京，人民交通出版社，2004，10-11

[2]交通部公路所《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（報批稿）北京，人民交通出版社 2008,72-90