論動(dòng)靜荷載試驗(yàn)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

趙賽雷

(貴州省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，我國運(yùn)輸行業(yè)開始向大型重載運(yùn)輸發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有橋梁和新建橋梁的運(yùn)輸承載力要求更高。為了確保運(yùn)輸順暢，橋梁安全穩(wěn)固，及為今后的橋梁養(yǎng)護(hù)、維修、加固工作提供依據(jù)，需對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)與判定。以下將以某橋梁工程為例，詳細(xì)闡述動(dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用方法。

1 工程概況

某橋梁工程建于1988年，全橋長1040.64m，29孔，邊孔跨徑29.035m，中孔跨徑3329m，橋面凈寬(0.85+7+0.85)m;上部結(jié)構(gòu)為懸臂懸鏈線空腹式雙曲拱，懸臂長4.50m，主拱跨徑20m;下部結(jié)構(gòu)為群樁基礎(chǔ)，砌塊是重力式墩、臺(tái)。為檢測(cè)該橋梁的工作性能，工程人員對(duì)該橋進(jìn)行了靜載和動(dòng)載檢測(cè)，設(shè)計(jì)荷載為汽-13，拖-60。

2 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)是目前檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)性能或工程質(zhì)量的重要試驗(yàn)方法，它的原理是將靜止荷載作用在橋梁指定位置，然后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的靜力位移、靜力應(yīng)變、沉降、裂縫等參量進(jìn)行測(cè)試，并依據(jù)國家有關(guān)橋梁工程規(guī)范和工程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的性能及承載能力作出判斷，評(píng)價(jià)橋梁的可靠性和安全性。

2.1 靜載試驗(yàn)荷載位置和測(cè)試參量的選擇

靜載實(shí)驗(yàn)的目的是了解橋梁的實(shí)際承載能力和使用條件，因此，對(duì)新建橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)檢測(cè)荷載位置應(yīng)選擇橋梁設(shè)計(jì)和施工的薄弱點(diǎn)或有相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的地方，對(duì)既有橋梁荷載位置選擇橋梁工作性能較差、病害較嚴(yán)重等不利于受力的孔或墩進(jìn)行靜載試驗(yàn)。該橋梁屬于舊橋應(yīng)選擇病害較嚴(yán)重孔、墩為荷載試驗(yàn)荷載位置。我國新建和既有橋梁的樣式有許多種，為了方便橋梁維修加固和運(yùn)營管理，相關(guān)橋梁工程規(guī)范對(duì)幾種常見主要橋型靜載試驗(yàn)需要檢測(cè)的荷載參量作了規(guī)定，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 幾種主要橋型的加載試驗(yàn)截面及內(nèi)容

2.2 試驗(yàn)荷載的確定

試驗(yàn)荷載的選定方法為:首先需要知道橋梁設(shè)計(jì)的相關(guān)荷載參數(shù)，接著計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)在不同荷載下控制截面的荷載參量，從中選擇達(dá)到控制截面的最大承載界限的荷載作為該截面的控制荷載，并根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)得出該截面的荷載內(nèi)力影響線;保證實(shí)際荷載與控制荷載相一致，然后依據(jù)內(nèi)力影響線對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗(yàn)，進(jìn)而得出試驗(yàn)荷載參數(shù)。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，需要檢查試驗(yàn)荷載參數(shù)與設(shè)計(jì)的荷載參數(shù)的相似性，其相似程度用試驗(yàn)荷載校驗(yàn)系數(shù)η表示。

2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

校驗(yàn)系數(shù)η是衡量橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的重要指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)橋梁的承載能力。所謂校驗(yàn)系數(shù)，是指某一測(cè)點(diǎn)處靜載的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值或理論計(jì)算值的比值。一般情況下，當(dāng)η=1時(shí)，說明實(shí)測(cè)值與理論值完全相符;當(dāng)η＜1時(shí)，說明橋梁結(jié)構(gòu)工作性能較好，有安全保障;當(dāng)η＞1時(shí)，說明橋梁結(jié)構(gòu)工作性能差，需要維修加固。相關(guān)橋梁工程規(guī)范對(duì)常見橋梁處于最佳工作性能時(shí)的校驗(yàn)系數(shù)作了驗(yàn)證總結(jié)，具體內(nèi)容如表2所示。

表2 常見橋梁校驗(yàn)系數(shù)

該橋梁工程該橋?yàn)檫B續(xù)梁橋，依據(jù)有關(guān)規(guī)定應(yīng)選擇第三孔跨中梁截面、3#墩支點(diǎn)處梁截面和第四孔距4#墩7m處梁截面共3個(gè)梁截面作為試驗(yàn)截面，并計(jì)算它們的受力情況、彎矩以及撓度。針對(duì)該橋梁本次試驗(yàn)采用橋梁博士V3.03版進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，建立有限元模型，測(cè)定出各截面的效驗(yàn)系數(shù)如表3所示。

表3 各截面校驗(yàn)系數(shù)

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析，該橋梁檢驗(yàn)承載能力的相關(guān)參數(shù)均在允許范圍內(nèi)，說明該橋梁工程橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能良好，不影響運(yùn)營使用。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)力荷載試驗(yàn)可以測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性或在動(dòng)力荷載作用下的受迫振動(dòng)特性，測(cè)量需要橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、動(dòng)撓度、動(dòng)力沖擊系數(shù)和阻尼值等參數(shù)，通過這些參數(shù)了解橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的工作性能，判斷和評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用條件，以此推測(cè)病害對(duì)橋梁的影響。結(jié)合靜載試驗(yàn)結(jié)果，可以對(duì)橋梁的工程質(zhì)量和工作性能做出更加科學(xué)可靠的評(píng)價(jià)。依據(jù)測(cè)試目的的不同，橋梁動(dòng)力荷載試驗(yàn)可以有脈動(dòng)試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)(沖擊試驗(yàn))、跑車試驗(yàn)等方式。

3.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)是指利用橋梁所處環(huán)境，如風(fēng)、地面微振等環(huán)境因素的作用使橋梁發(fā)生微小振動(dòng)，這種情況下橋梁的振動(dòng)頻率可以最大程度接近其固有頻率，從而可以通過脈動(dòng)測(cè)試確定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率。

3.2 跳車試驗(yàn)

跳車試驗(yàn)是指使試驗(yàn)車輛的后輪從三角墊塊上突然下落時(shí)對(duì)橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動(dòng)，然后測(cè)量此時(shí)橋跨結(jié)構(gòu)的衰減振動(dòng)阻尼值和沖擊系數(shù)，用以分析橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性質(zhì)。

3.3 跑車試驗(yàn)

跑車試驗(yàn)是指使試驗(yàn)車輛以不同的行駛速度(如40km/h、60km/h、80km/h)通過橋梁，使橋梁產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動(dòng)，以測(cè)量橋梁的阻尼值等參數(shù)。

3.4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

該橋梁工程檢測(cè)采用跑車實(shí)驗(yàn)方式，采用10t重車以不同車速，經(jīng)過橋跨及在跨中制動(dòng)、跳車情況下動(dòng)應(yīng)變(應(yīng)力)進(jìn)行觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)步驟:(1)在試跨中布置拾振器，通過跨中測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)時(shí)程曲線的自功率譜求得試驗(yàn)跨上部結(jié)構(gòu)的豎向基頻和阻尼比。(2)采用一輛10t試驗(yàn)車分別以10km/h、30km/h的速度駛過平整橋面和有障礙橋面，記錄試驗(yàn)跨跨中振幅時(shí)程信號(hào)，檢測(cè)有載狀態(tài)下橋梁強(qiáng)振頻率和跨中最大振幅。(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得出該橋梁工程動(dòng)荷載參數(shù)為:自振頻率 f=4.62Hz，阻尼比 D=0.021，對(duì)數(shù)衰減率 δ=0.153，沖擊系數(shù)(1+μ)=1.20，均在正常范圍內(nèi)。

4 試驗(yàn)總結(jié)

(1)根據(jù)靜載實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，該橋梁第三孔跨中梁底撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.85，第四孔最大正彎矩處梁底撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.80，第三孔跨中梁頂混凝土壓應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.47。該橋梁各測(cè)試截面應(yīng)力及撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，也在允許值之內(nèi)，說明該橋梁各主要受力點(diǎn)、面的承載能力均能夠滿足荷載公路的設(shè)計(jì)施工要求。(2)該橋梁工程通過動(dòng)載試驗(yàn)的檢驗(yàn)，其動(dòng)荷載參數(shù)分別為自振頻率f=4.62Hz，沖擊系數(shù)(1+μ)=1.20，阻尼比 D=0.021，對(duì)數(shù)衰減率 δ=0.153。說明該橋梁工程各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，可以保障通車安全。

5 結(jié)束語

綜上所述，橋梁承載能力的檢測(cè)和評(píng)定直接關(guān)系到橋梁運(yùn)輸安全，且橋梁動(dòng)靜荷載試驗(yàn)是較為復(fù)雜和高科技手段的試驗(yàn)方法，需給予高度重視，不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。另外橋梁動(dòng)靜荷載試驗(yàn)在實(shí)際橋梁的檢測(cè)評(píng)估中結(jié)果可靠正確，可以快速有效地評(píng)估橋梁的承載能力，確保橋梁工程的整體質(zhì)量與運(yùn)營安全。

:

［1］王自彬，岳渠德，趙金環(huán)，等.動(dòng)力荷載試驗(yàn)在橋梁檢測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28(6):43-44.

［2］諶潤水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)［M］.北京:人民交通出版社，2010，17(5):107.

［3］陶海.混凝土簡支梁橋承載能力自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)的開發(fā)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(1):17-18.

［4］宋一凡.公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評(píng)定［M］.北京:人民交通出版社，2010，23(12):245-246.