有關公路橋梁荷載試驗的研究

摘要：作者針對公路橋梁荷載試驗做了一些理論和實踐的探討，主要包括公路橋梁荷載試驗的作用及其相關分類，并且對荷載試驗的試驗方法作了詳細的介紹。

關鍵詞：公路橋梁 荷載試驗

1、研究背景

公路橋梁工程，相對于其它基礎工程，其具有高造價，大投資，巨大的社會效益等特點。所以竣工驗收時對橋梁工程內在質量進行評判最有效直接的方法是怎樣去保證橋梁工程的施工質量和勘察設計， 同時也為經驗積累、施工設計和技術總結， 為提高橋梁工程設計總體水平創造條件， 為今后橋梁的養護工作提供科學、有效的依據。橋梁荷載試驗是在強化管理、質量監督、施工等相關程序的前提下， 對一些形式新穎、隱蔽工程、影響力大的橋梁進行整體的實際荷載試驗， 橋梁荷載試驗是確保橋梁工程質量的一件十分重要的工作[1]。

2、公路橋梁荷載試驗的作用及其相關分類

2.1 橋梁荷載試驗的作用與目的

影響橋梁工程質量的因素主要是設計理念，建筑材料，施工技術和自然條件等因素，在操作過程中， 人們一般采取模型試驗、施工監控、材料和結構試驗、成橋后的動靜載試驗等來檢測橋梁工程的質量[2]。

橋梁荷載試驗的作用和目的， 是在試驗荷載作用下，利用對橋梁結構直接加載后進行有關的分析，測試和記錄工作，主要包括試驗準備、理論計算、現場試驗及試驗結果分析、整理等等相關的工作， 達到了解和檢測橋梁結構的實際工作狀態和實際使用狀況。

通過橋梁荷載試驗，可以解決對于采用新材料、新方法、新工藝、新構造等條件修建的橋梁， 還有很多比如結構的材料性能、反應動力等不能構建與其相對應完善的計算模型， 或數學模型和實際構造之間的差距等問題，通過橋梁荷載試驗可以直接算得理論分析和計算的有關參數，了解相關橋梁結構在荷載條件下的具體工作受力狀況，研究橋梁結構受力的基本規律和相關檢驗是否符合國家標準的設計要求， 為進一步發展橋梁設計的計算理論及施工技術奠定了科學的理論基礎。

同時橋梁荷載試驗也是對新完工的橋梁竣工驗收及質量評定的重要方法， 特別是大跨度、復雜結構的橋梁。相對于已有橋梁， 尤其是建造時間較長，已無法查到橋梁原始設計、施工和竣工資料， 采用橋梁荷載試驗也可以估算其荷載能力和使用狀況， 為已有橋梁的進一步安全使用、養護管理、限載或改建提出了科學的依據。所以橋梁工程的成功發展， 相關試驗技術的進步和發展也起著重要的作用。

2.2 橋梁荷載試驗分類

(1)動載試驗是指通過某種激振方法產生出橋梁結構的振動， 檢測橋梁結構的固有頻率，振型，阻尼比，動力沖擊系數，行車響應等相關參數， 進而測定橋梁結構的總體剛度和行車性能的試驗。

(2)靜荷載試驗是指在靜止的荷載影響下，在橋梁的其中一個指定位置檢測橋梁結構的靜力應變，位移和裂縫等相關參數， 進而推測出在靜荷載影響下橋梁結構的使用性能和工作能力的試驗。 靜載試驗的加載過程由零開始逐漸增加到預定的荷載為止，一般通過重力或其它類型的加載設備來滿足和完成加載。橋梁荷載試驗中最常用、最基本的基礎試驗就是靜載試驗，由于當橋梁結構工作時所承受的荷載是靜力荷載， 其中橋梁結構的自重也是靜力荷載，甚至在設計計算時隨時間而變的移動車輛荷載通常也作為靜力荷載來考慮，即使是在進行橋梁結構動力試驗時， 一般也要先進行靜荷載試驗，以測定結構的相關參量，因此靜載試驗是了解橋梁結構特性的重要方法和途徑。

3、荷載試驗的方法

3.1 動載試驗

動載試驗的檢測項目一般包括僅與結構自身的固有性質相關的橋梁動力特性模態參數測量(比如頻率振形、阻尼比)；在具體的動載影響條件下，橋梁結構的橋梁動力響應測量(比如動撓度，加速度，動應力，沖擊系數)。

3.1.1 測試的相關儀器

動載試驗的相關測試儀器通常為信號放大器、測試傳感器、磁帶記錄儀波器及數字信號處理器，可以依據使用傳感器的特征和儀器的有關性能選取不同的測試體系。

3.1.2 橋梁動載試驗的激振方法

橋梁動載試驗的激振方法一般依據橋梁的整體剛度和構造，選取效果好、方便實施的方法。通常采用的激振方法主要是(1)強迫振動法也稱共振法即利用激振儀器對橋梁整體結構實施激振力，通過采用不同激振力的頻率使得橋梁整體結構產生共振同時依據共振反應的情況來判定橋梁結構動力特性的方法。(2)瞬態激振法也稱自振法即迫使橋梁整體結構產生有阻尼的自由衰減振動并且記錄下橋梁的衰減振動曲線的振動圖形的方法。(3)脈動法即利用附近設施（比如車輛等）的振動而使橋梁結構發生較小且不規則振動的方法，這種方法可以準確的測試出其橋梁結構的固有頻率，通常用于索塔和大跨度橋梁的測定[3]。

3.1.3 動載試驗數據分析及其測定

橋梁結構的動力特性測定經常采用的分析處理方法分為時域分析和頻域分析。時域分析即直接對時程曲線進行分析并獲得振型、阻尼比、沖擊系數等相關參數的方法。頻域分析即經過傅立葉變換對時域信號進行數學化處理，進而判定結構頻率和分布特性的方法。

(1)固有頻率的測定，橋梁固有頻率的測定能通過在實測記錄的功率譜圖上直接測試體系的時域歷程曲線、峰值或其自相關圖上確定，而且還可以通過基頻測算出承重結構的動剛度。與較簡單的結構的動力分析相比較，只需結構的一階頻率；而與較復雜結構的動力分析相比較，還需進行第一、第二甚至更高階的頻率。當實測值小于理論計算值時，表明橋梁結構的實際剛度較大，橋梁結構正常。當實測值大于理論計算值時，相反則表明橋梁結構的剛度較小，橋梁結構可能出現或存在開裂等其他異常現象。

(2)阻尼的測定，橋梁結構的阻尼特性一般是取決于阻尼比D和對數衰減率δ的關系，也可依據時域信號中的振動衰減曲線來測得，當然也可在功率譜圖中利用半功率帶寬法來測算阻尼，還有通常的測試體系軟件都能夠作這類分析。 通常橋梁的阻尼較小(在0.01~0.08之間)。如果阻尼比較大，則表明橋梁結構耗能較強，但如果是過大的阻尼比則表明支座工作情況異常、或結構出現裂縫、或均質程度較差現象等。

(3)振型的測定，振型測定是利用共振法把各個傳感器分別安裝在橋梁結構的不同部位，當激振設備迫使橋梁結構產生共振時，并記錄下橋梁結構的各個部位的振幅和相位，然后采用對比的方法將各個測點的振幅和相位繪出振型曲線。

(4)沖擊系數的測定，目前獲得沖擊效應的唯一可行的方法是利用動載試驗測試橋梁結構沖擊系數。與線性彈性狀態下的結構相比較，動荷載產生的荷載效應和靜荷載產生的荷載效應的比值為1+μ，所以沖擊系數的測試通常運用測定橋梁結構動應變或動撓度的方法。 測試前，在橋梁的最大變位、應變處或跨中布置電阻應變片式的應變儀，并且將動態應變儀與電腦相連接。試驗時，利用加載車輛以一定速度從測點或在測點附近做跳車試驗，同時記錄下其相應輸出應變隨時間變化的實際信號。為作進一步的對比分析，一般需要測算并記錄不同車速下的輸出應變隨時間變化的實時信號結果。利用車輛試驗測定的動力沖擊系數，能夠在評定橋梁結構的行車性能方面進行運用，當實際測得的橋梁沖擊系數太大或太小，都表示有較差的橋梁結構行車性能。

3.2 靜載試驗

3.2.1 加載方案的確定

在試驗前，首先確定試驗橋孔、墩或臺，然后進行加載方案的確定。試驗孔的選擇主要考慮以下幾個因素：(1)孔或墩施工質量很差、缺陷很多或病害很嚴重。(2)孔或墩受力計算最不利。(3)孔或墩便于加載時搭設腳手架和設置測點。 試驗孔或墩的選擇直接影響到我們所進行的試驗是否能夠準確地測算出此處結構和總體橋梁結構的性能好壞，因此這項工作需要豐富的現場試驗經驗，是一項非常關鍵步驟。

3.2.2 加載與觀測階段

(1)確定觀測項目

一般橋梁觀測的項目主要包含橋梁結構的最大撓度和拉力，支座沉降，裂縫，壓應力的出現和擴展情況等。在荷載影響下橋梁變形通常分為兩類：其中之一是反映橋梁總體結構工作情況的總體變形，另一個是反映結構局部工作情況的局部變形。測量部位的選取和測點布置在符合試驗要求的前提下通常應選取盡量充分的測點數量，具有代表性的測點位置目的是方便計算分析。

(2)試驗儀器及其觀測方法

光學測量的非接觸式測量常用儀器為經緯儀、精密水準儀、全站儀等；位移測量一般可分為機械測量和電測法的接觸式測量，常用儀器有撓度計、百分表、位移傳感器等；應變測量通常也分為兩類，其中之一是主應力方向未知，在測試點分別向三個方向布設成應變花形式，常用儀器為應變片、振弦式應變計、電阻應變儀、鋼筋應力計等。另一類是主應力方向已知，順著主應力方向布置應變片，裂縫測量一般依據目力輔以刻度放大鏡，在要求不高的情況下對于裂縫較大的通常可使用塞尺測量。

3.2.3 分析總結階段

靜載試驗的數據分析理整是從理論探索現象，是對整個橋梁結構作出相應的技術評價，是對試驗數據更深一步分析的過程。橋梁結構靜載試驗的估算有兩種指標，其一是將相關規定的允許值和檢測測點的實際值進行對比分析來解釋結構所處的工作狀況，其二是依據控制測點的實測值與相應的理論計算值進行對比分析來判定橋梁結構的安全性能和工作性能。其中校驗系數是評價橋梁結構應用最多的安全儲備指標，校驗系數是指某一相應的理論計算值和測點的實際測值的比值（實際測值主要包括觀測位置的位移、撓度、應力等大小）。如果校驗系數大于1時，表明橋梁結構的設計強度不充足，不夠安全，工作性能較差；當校驗系數小于1時，表明橋梁承載力有一定剩余空間，有安全儲備，橋梁結構工作性能較好。

4、小結

橋梁檢測是一項艱苦而繁瑣的工作，不僅需要工作人員具有扎實的理論基礎和豐富的實際現場經驗，同時需要工作人員不斷的提高自身的服務意識和學習素質。本文通過對橋梁檢測靜動試驗的簡單介紹，得出了在橋梁檢測中各個項目所需要達到的目標和荷載試驗所需要注意的相關事項，為荷載試驗的準備和實施工作提供了科學的參考依據，為橋梁的檢測提供了的有效的方法和論證。

參考文獻：

[1]張俊平，主編，姚玲森主審．橋梁檢測[ M]．北京:人民交通出版社， 2002．

[2]宋一凡，編著．公路橋梁荷載試驗與結構評定[M].北京:人民交通出版社， 2002．

[3]諶潤水， 胡釗芳．公路橋梁荷載試驗[M]．北京:人民交通出版社， 2003．