橋梁檢測中的動靜載試驗研究

葉健

（東莞市交通工程質量監督站,廣東 東莞 523000）

橋梁檢測中的動靜載試驗研究

葉健

（東莞市交通工程質量監督站,廣東 東莞 523000）

動靜載試驗是一種橋梁實際狀況檢驗的重要方法,可科學準確地評定橋梁結構的承載能力。結合某特大橋檢測的案例,從試驗對象、動靜載試驗參數等方面,深入對動靜載試驗進行分析,介紹動靜載試驗內容,利用橋梁專業軟件midas Civil建立有限元模型,進行靜力分析,通過實際試驗測量值和理論值做比較,分析橋梁的承載力和對橋梁綜合評定。

橋梁檢測；動靜載試驗；有限元分析

0 引言

由于近年來交通量急劇增加,尤其是過往超載、超載車輛增加,使很多橋梁在使用期限內出現嚴重的病害,當然還有些因為施工管理水平、施工方法不當,趕工期,使用劣質材料等原因而出現早期病害的橋梁,需要做承載力鑒定以確保其安全運營的情況。橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗對建成橋梁進行承載力鑒定,靜載試驗能夠考察橋梁的實際工作狀態和承載能力,重點分析靜載試驗的方案設計,為橋梁檢測提供參考[1-2]；動載試驗是評定橋梁運營荷載等級和實際使用情況的重要方式[3-4]。為了保障公路橋梁的質量,尤其是采用新結構、新材料、新工藝的橋梁質量,以及交通部頒布的《公路養護技術規范》（JTG H10—2009）中明確規定,必須判斷橋梁結構實際承載能力,檢驗橋梁設計與施工質量。下面將結合工程實例對公路橋梁檢測動靜載試驗進行簡要的探討。

1 荷載試驗

橋梁的荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗,是指在橋梁結構或構件上施加與控制荷載等效的外加靜力荷載和動力荷載,通過儀器設備測試控制截面和控制部位的靜、動力特性的現場試驗。

1.1 試驗對象

一般情況針對舊橋進行荷載試驗,隨著對橋梁質量控制的重視,新建的大橋、特大橋的驗收也進行了荷載試驗,甚至預制施工的橋梁也針對單片梁進行靜力荷載試驗,需進行檢測的橋梁主要有以下幾種:

（1）技術狀況評定為四、五類的已建橋梁。（2）擬提高汽車荷載等級的橋梁。

（3）遭受重大自然災害或意外事件或需通過特殊重型車輛荷載的橋梁。

（4）承載能力驗算的作用效應與抗力效應的比值在1.0～1.2的橋梁。

（5）采用設計復核等方法也難以準確判斷其能否承受預定荷載的橋梁。

（6）某些特殊情況下的橋梁也需進行荷載試驗,如經過修復、加固或者改進的,對工程施工質量進行驗證的,缺乏設計與施工資料的,或采用“四新”技術施工的橋梁。

1.2 試驗內容

（1）靜載試驗參數。通過準備階段的調查,按最不利受力原則和代表性原則選定一孔或幾孔橋跨的截面為測試截面,如施工質量較差、缺陷較多、病害較重、主跨或典型跨度、異形結構等,測試截面主要試驗參數見表1,多片預制梁還可以測試其橫向分布系數。

（2）動載試驗參數。橋梁結構的動力特性與其組成形式、剛度、質量分布和材料性質等結構本身的固有性質有關。一般有動荷載的橋梁都檢測結構的自振特性和動力響應值,其他特殊情況如人行橋只檢測結構的自振特性,測試截面采用與靜載試驗相同的橋孔,具體的測試參數見表2。

1.3 試驗截面及加載位置確定

橋梁靜載試驗截面和加載位置要選擇其最不利位置。通過有限元理論分析,通過包絡圖和影響線找到其最不利位置。

表1 常用橋梁結構控制截面與試驗參數

表2 動載試驗測試參數

（1）包洛圖。在移動荷載作用下,由各截面內力的最大值連接而成的曲線稱為包絡圖。通過有限元分析找出橋梁在移動荷載下彎矩包絡圖。可以確定橋梁靜載試驗的截面和加載位置。

（2）影響線。影響線表示結構中由沿結構跨度移動的單位載荷引起的內力、位移或反力等的數值 (稱影響值)隨單位載荷作用位置變化的曲線,它可用于確定在多種載荷共同作用下的影響值,也可用于確定結構上移動載荷的最不利位置。從而可以確定橋梁試驗的截面位置以及加載位置。

2 工程實例

2.1 工程概況

東江特大橋東莞段起于K30+916.3,橋跨包括（2×50）m+（48+3×75+48）m；主橋上部結構采用（48+3×75+48）m的預應力混凝土連續剛構,箱梁單箱單室；橋寬雙幅33.5 m,雙向八車道；下部結構采用樁基礎、墻式橋墩（中間墩梁固結）。剛構橋布置圖如圖1所示。橫向布置為0.5 m（防撞欄）+15.5 m（車行道）+0.5 m（防撞欄）=16.5 m。

圖1 剛構橋布置圖（單位:m）

2.2 試驗條件

（1）準備工作。查閱設計圖紙等技術資料,現場調查該橋梁現狀。成橋試驗必須在橋梁結構形成整體之后進行,單片梁試驗必須有防止側翻的措施。選好精度適宜的儀器設備,編制試驗方案。根據最不利原則和典型性原則,考慮到岸上作業及檢測設備的安裝方便,選定16#～19#墩連續剛構橋試驗跨。考慮是晴天,晚上溫度在20℃左右,車輛通行量少,試驗時間安排在下午6點至晚上10點。

（2）試驗荷載。根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01—2015）(以下簡稱《試驗規程》)的要求,橋梁的靜力試驗按荷載效率來確定試驗的最大荷載,對于交（竣）工驗收,荷載效率取值范圍宜介于0.85～1.05,加載設備選用過磅土方車。

本次靜載試驗加載試驗需要10臺約360 kN土方車,動載試驗選用一輛總重約為360 kN的過磅土方車,本次試驗加載采用360 kN,車輛橫向布置如圖2所示。

圖2 加載車輛車輪間距（單位:cm）

（3）試驗截面和加載位置。通過midas建立有限元分析,根據橋梁在移動荷載下的包絡圖和影響線得出橋梁的16#～17#跨0.4L、17#～18#和18#～19#0.5L截面正彎矩受力最大,18#墩負彎矩最大。所以選取圖3中A、B、C、D作為試驗截面。

圖3 應變測點截面A（B、C、D）布置橫斷面圖（單位:cm）

（4）測點布置。根據評定規程的要求,在試驗跨的控制截面（圖3中的A、B、C、D截面）處布置應變測點,在跨中位置及邊梁1/4跨布置撓度測點如圖4所示,加速度傳感器布置在各檢測跨中位置,如圖5所示。

圖4 撓度測點布置平面圖

圖5 動測的傳感器測點布置

2.3 有限元模型分析

根據該橋設計圖紙,應用有限元分析軟件midas Civil,按照橋梁設計規范要求,計算出在設計荷載作用下試驗截面的最大彎矩、位移及基頻,如圖6所示。

圖6 基頻計算（f=1.54 Hz）

2.4 試驗加載

（1）加載工況。靜載試驗包括中載工況和偏載工況,從歷年橋梁檢測來看,在匝道橋等彎斜橋、不對稱直橋,以及左右分幅橋梁中應采用偏載試驗,本橋采用布置10輛過磅土方車作為偏載試驗荷載,加載車的載位布置如圖7所示。各工況荷載效率和動載試驗荷載工況分別見表3和表4。

表3 各工況荷載效率

表4 動載試驗荷載工況

（2）加載步驟。靜載試驗按最大控制截面內力荷載工況均分為3級,每級加載過程中其他截面內力應逐級增加,且內力不應超過荷載作用下的最不利內力。正式加載前,非工作人員退場,待一切工作安排就緒,進行預加載,以消除橋梁結構間隙和檢查各試驗量測儀器儀表讀數是否正常。預加載車退出,各試驗量測儀表讀數調零,進行第一次空載讀數。正式實施試驗加載,每級汽車荷載駛入指定的區域就位后,穩定20～30 min后記錄各量測儀表的讀數。

圖7 工況1～工況4車輛縱向布置簡圖（單位:m）

試驗加載終止條件:

a.控制測點應力已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時。

b.控制測點變位（或撓度）超過規范允許值時。

c.裂縫長度、數量急劇發展時。

d.發生其他破壞,如預應力筋崩斷、混凝土壓碎、墩臺橋墩偏位、支座損壞等影響橋梁承載能力或正常使用時。

2.5 結果分析

橋梁檢驗采用校驗系數和相對殘余來評定橋梁的承載能力和工作狀態。校驗系數η是橋梁靜載試驗所得的數據（撓度、應力）與理論計算值之比。η＞1說明結構設計強度不足、不安全。η過大過小都要對其分析原因。η過小可能是橋梁結構整體工作好,也可能是材料的彈性模量高于設計值或者是橋梁有限元分析簡化計算過于簡單,相對殘余大小反映橋梁結構的剛度。

（1）校驗系數。是試驗荷載作用下測量的結構彈性位移或內力值與該加載項目對應的控制截面計算內力或位移的最大值之比:

測點的相對殘余指試驗荷載作用下測量的結構殘余位移或應變值與該荷載作用下結構的總位移或應變值之比,取值不宜大于20%:

（2）撓度測量。主要測點結果見表5,橫向測點實測撓度值與加載重量關系如圖8所示。

表5 撓度實測結果 mm

從圖8和表5可以看出試驗工況下,梁底的實測應變與加載彎距的關系線性相關系數接近1,控制截面的主要測點撓度值均小于理論計算值,撓度校驗系數在0.58～0.74,撓度校驗系數均小于1,能夠滿足《試驗規程》中關于橋梁主要測點靜載試驗校驗系數的要求。表5可知梁主要測點撓度相對殘余均小于20%,橋梁具有足夠的剛度和安全儲備。

（3）應力應變。梁底的實測應變與加載彎距的關系線性相關系數接近1,表明試驗跨的梁體在線彈性范圍內工作,校驗系數小于1,相對殘余小于20%,結構強度滿足要求。主要測點測量見表6,梁底橫向測點應變與加載重量的關系曲線如圖9所示。

由表6可知控制截面的主要測點的應變校驗系數小于1.0,相對殘余均小于20%,說明橋梁結構有足夠的強度,滿足設計荷載對其承載力的要求,有足夠的安全儲備。

圖8 橋梁橫向測點實測撓度值與加載重量關系圖

表6 應變測量結果 με

（4）基頻測試。通過不同時速和剎車測試橋梁的自振頻率和阻尼系數,表7是橋梁頻率和阻尼系數實測值和理論值的比較。一般結構只測一階頻率,阻尼一般采用半功率帶寬法測定,沖擊系數采用動荷載產生的荷載效應與靜荷載產生的效應之比,實測結果表明結構剛度較好。

從表7看出實測頻率大于理論值,沖擊系數實測值平均值小于理論值,該橋的實際剛度較大,振動響應較小,表明橋梁實際剛度滿足設計要求。

3 結語

橋梁在試驗荷載作用下,變形和應變分布正常,校驗系數和相對殘余均滿足《試驗規程》的要求,應變校驗系數較小,有足夠的剛度、強度和安全儲備。

圖9 梁底橫向測點應變與加載重量的關系曲線

表7 實測和理論值比較

橋梁動靜載試驗是橋梁承載能力檢驗的重要手段,試驗內容的選擇與試驗過程中的安全是直接影響橋梁檢測成功的關鍵,要注意以下幾點:

（1）橋梁類型多樣,因此試驗截面及加載位置確定尤為關鍵,必須通過包絡圖和影響線找到其最不利位置。

（2）荷載的加載應分級進行,每一級的測量數據必須能夠穩定,且與理論分析結果相差不大,符合終止條件的必須先終止,檢查無誤后才能繼續。

（3）橋梁結構應采用有限元軟件模擬分析,檢測過程應消除或降低環境的影響,確保實驗數據真實有效。

[1]吳建奇,鄭曉,張婷婷．橋梁檢測中的靜載試驗研究［J］.鐵道建筑,2011（2）:42-44．

[2]曾波存,杜鵬,孫曉偉．預應力混凝土空心板(20m)靜載試驗及結果分析［J］.施工技術,2016（S1）:274-277．

[3]王自彬,岳渠德,趙金環．動力荷載試驗在橋梁檢測評估中的應用[J].青島理工大學學報,2007,28（1）:14-16．

[4]王小勇,夏祥林,劉日海.節制閘公路橋動載試驗研究[J].江蘇水利,2016（8）:1-4．

[5]JTG/T J21-01—2015,公路橋梁荷載試驗規程[S]．

U446

A

1009-7716（2017）07-0225-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.070

2017-03-16

葉健（1981-）,男,廣東韶關人,道橋中級工程師,從事公路橋梁質量監督與檢測工作。