橋梁現(xiàn)場荷載試驗檢測技術(shù)

張國明

（中交路橋建設(shè)有限公司）

1 工程概況

道安高速第16 合同段由中交路橋南方工程有限公司承建，全部位于湄潭縣境內(nèi)，起于洗馬鄉(xiāng)的蔣巖坪山頭，在流河渡到達(dá)本合同段終點(diǎn)，在K158+303.653 處上跨思遵高速，設(shè)流河渡樞紐互通一座。起訖樁號為：K151+200～K159+088.046，路線長度7.89km。采取雙向四車道設(shè)計形式。包含左右兩幅橋梁，橋長880m，采用40m 預(yù)制T 梁。

2 靜載試驗的步驟

2.1 靜載試驗的內(nèi)容

基于荷載試驗的方式，可充分反映橋梁在設(shè)計與施工方面的質(zhì)量情況[1]，靜載試驗包括檢驗內(nèi)部結(jié)構(gòu)承載能力以及運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)自振特性等。

2.2 前期準(zhǔn)備

⑴收集資料。充分的前期準(zhǔn)備工作可以為正式荷載試驗提供良好條件，要將設(shè)計與施工資料作為重要參考，以便給加載方案的編制工作提供幫助，保證方案可行、測點(diǎn)布設(shè)合理。收集的資料覆蓋面廣、類型豐富，如設(shè)計與施工階段的資料、結(jié)構(gòu)尺寸資料、沉降觀測資料等多個方面。

⑵實(shí)橋調(diào)查。通過現(xiàn)場勘察的方式可更為全面的掌握實(shí)際情況，例如：橋梁的施工情況、養(yǎng)護(hù)階段所存在的問題、現(xiàn)階段的橋梁使用狀況、周邊環(huán)境的影響以及是否具備荷載試驗的條件等。為增強(qiáng)實(shí)橋調(diào)查的針對性，需要根據(jù)橋型實(shí)際情況確定相應(yīng)的調(diào)查要點(diǎn)，包含跨中裂縫及撓度、主梁連接狀況、各結(jié)構(gòu)的外觀質(zhì)量等方面。對于拱橋，則要充分考慮到拱腳上緣裂縫、墩偏位等情況。

⑶擬定加載方案。①確定具體的加載孔（墩），此項工作是正式開展荷載試驗的基礎(chǔ)，合適的選擇方式能夠更為有效的反映結(jié)構(gòu)乃至全橋狀況。②確定荷載試驗的目標(biāo)，為實(shí)際操作引導(dǎo)方向，如新建橋梁的竣工驗收、基于既有橋梁的改造質(zhì)量檢驗等。③組織實(shí)橋靜力荷載試驗，此項工作包含的細(xì)分內(nèi)容較為豐富：結(jié)構(gòu)斷面的撓度分布情況；結(jié)構(gòu)控制截面所形成的最大應(yīng)變以及各個細(xì)分構(gòu)件的應(yīng)變狀況；墩臺的位移情況；鋼筋混凝土是否存在裂縫以及具體的裂縫狀況，如寬度、長度、形狀等。

⑷試驗流程。荷載試驗的各項工作要按照特定的流程有序推進(jìn)，包含測點(diǎn)布設(shè)、設(shè)備選擇、檢測與記錄等，期間要生成試驗工況表，用于記錄數(shù)據(jù)。荷載試驗通常選擇的是重載車輛，要充分考慮車輛型號、盾尾、載重等信息[2]。對于測點(diǎn)的布設(shè)，則要按照試驗?zāi)繕?biāo)于指定的位置合理布設(shè)，要結(jié)合橋梁受力狀況，全面確保測試技術(shù)可以落實(shí)到位。

圖1 為靜載試驗施工現(xiàn)場示意圖。

圖1 靜載試驗

2.3 加載試驗

實(shí)橋荷載試驗的各環(huán)節(jié)中，加載試驗占據(jù)了較大比重，是極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[3]。靜載試驗過程中的干擾因素主要源自于溫度等自然層面，因此宜在夜間組織靜載試驗。若外界干擾因素較小，此時可優(yōu)先選擇在日間完成。按照特定的流程做好靜載試驗工作，要明確靜載的初始讀數(shù)，對于新建橋梁工程，還需經(jīng)過預(yù)壓處理。加載遵循的是分級原則，其優(yōu)勢在于可保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。經(jīng)過加載后，變形與內(nèi)力將發(fā)生變化，且要經(jīng)過某個特定的階段后才可恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，而橋型、結(jié)構(gòu)的差異化將導(dǎo)致所需的穩(wěn)定過程時長各不相同，通常考慮的是應(yīng)變值和撓度值，若兩項指標(biāo)僅存在微量波動（控制在儀器的精度范圍內(nèi)），則有理由說明結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，可認(rèn)為達(dá)到了相對穩(wěn)定狀態(tài)。再進(jìn)入卸載環(huán)節(jié)，隨后檢測各點(diǎn)的回零值。

3 試驗對象和內(nèi)容

3.1 靜載試驗

在某荷載條件下，通過靜載試驗的方式剖析截面應(yīng)力分布特點(diǎn)、變形和裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展情況等方面的內(nèi)容，幫助工程人員掌握橋梁施工情況。

3.2 動載試驗

動載試驗建立在動力特征的基礎(chǔ)上，以橋梁的脈動試驗最為基礎(chǔ)，同時也考慮到有無障礙行車試驗。

4 靜載試驗

4.1 初始狀況調(diào)查

全面檢查橋梁情況，明確是否存在漏筋或是結(jié)構(gòu)受損現(xiàn)象，綜合評價全橋狀況，分析是否與設(shè)計要求相符。

4.2 成橋線形的測量

通過測量橋面線形的方式能夠掌握橋面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以便給后期養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)，但要注重對測量時間的選擇，要求測量期間溫度維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.3 靜載試驗內(nèi)容及方法

⑴控制截面布置。重點(diǎn)考慮的是主梁結(jié)構(gòu)的正彎矩和負(fù)彎矩控制截面，視實(shí)際情況合理選擇布設(shè)方法，其中正彎矩為主梁C-C 截面（邊跨8#墩中心線76.5m 處的主梁）和主梁A-A 截面（跨中主梁處）；負(fù)彎矩為主梁B-B 截面（中跨8#墩中心線8.25m 處的主梁）。加強(qiáng)對各控制截面的觀測，及時展開測量以便掌握主梁的實(shí)際變形情況。確定試驗工況，將其作為試驗工作的基本指導(dǎo)，具體內(nèi)容見表1。

⑵擾度測點(diǎn)布置。總量為34 點(diǎn)，均勻設(shè)在防撞護(hù)欄上。

表1 試驗工況

⑶應(yīng)變點(diǎn)布置。包含三種類型，A 截面20 個，B 截面23 個，C 截面20 個。

⑷裂縫觀測。做好準(zhǔn)備工作，經(jīng)過調(diào)查掌握裂縫的實(shí)際情況（分布位置），從橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，合攏段頂板處是重點(diǎn)觀測對象，要考慮該處的縱向裂縫情況。

⑸試驗荷載。遵循的是彎矩等效原則，合理控制荷載以確保各截面內(nèi)力的合理性。

對于工況1，選擇的是噸位為30t 的雙后軸重車，共計20 臺；工況2 所用設(shè)備與之一致，數(shù)量為16 臺。設(shè)備布設(shè)區(qū)域為A-A、C-C 截面兩側(cè)，分四級有序完成加載作業(yè)，隨加載量的增加，若滿足要求則一次性卸載。

4.4 工況1 的試驗結(jié)果

⑴滿載時的主梁變形撓度。通過與理論撓度的分析得知，實(shí)測結(jié)果比其略小，且在荷載持續(xù)增加的條件下，兩者變化規(guī)律具有協(xié)同性。

⑵各級荷載的應(yīng)變實(shí)測值。具體內(nèi)容見表2，從所給內(nèi)容來看，應(yīng)變的變化特征為沿梁高呈線性變化。通過對應(yīng)變曲線變化的分析得知，其與理論曲線相同。

表2 工況1A-A 截面各級荷載的應(yīng)變實(shí)測結(jié)果

⑶分析裂縫的綜合狀況，得知其在長度和寬度兩方面并未呈現(xiàn)出明顯的變化，且試驗期間未形成新裂縫。

4.5 工況2 的試驗結(jié)果

⑴根據(jù)表3 內(nèi)容，通過與理論撓度的對比得知，在滿載條件下，實(shí)測的撓度值相對偏小，而在荷載持續(xù)增加的條件下，兩者的變化規(guī)律具有協(xié)同性。

表3 工況2 各測點(diǎn)在各級荷載時的擾度實(shí)測結(jié)果

⑵截面C-C 的應(yīng)變情況。通過對各級荷載條件的分析得知，應(yīng)變沿梁高方向表現(xiàn)出較為顯著的線性變化特點(diǎn)，與理論的截面梁頂和梁高值對比分析，可以發(fā)現(xiàn)兩項指標(biāo)的實(shí)測值都偏小。

5 動載試驗

5.1 脈動試驗

在自然條件下，由于存在不同程度的大地脈動以及外界因素干擾，產(chǎn)生振動信號后進(jìn)一步由速度傳感器檢測，獲取實(shí)測結(jié)果并展開分析，提取動力特征參數(shù)。從脈動試驗結(jié)果來看，不同于理論模態(tài)頻率的是，實(shí)測結(jié)果普遍更高，表明全橋剛度表現(xiàn)較為良好。此外，所有實(shí)測阻尼比都控制在2.178 內(nèi)，可反映出結(jié)構(gòu)阻尼比較低的事實(shí)。

5.2 行車試驗

⑴無阻礙條件下。選擇40t 載重汽車共2 臺，分別維持10～50km/h 的行駛速度，期間檢測結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)情況。選擇中跨A-A 截面，于該處布設(shè)適量測點(diǎn)，并配備橋梁擾度儀，利用該裝置檢測擾動，基于所得結(jié)果確定沖擊系數(shù)。根據(jù)試驗結(jié)果得知，相比于規(guī)定的沖擊系數(shù)而言，所得到的實(shí)測值相對較小，主要集中在1.015～1.028。

⑵有阻礙條件下。選擇的是高為7cm 的弓形模板，將其作為本次試驗的障礙條件，將其設(shè)在中跨A-A 橋面截面上。選擇的是40t 的載重汽車，共計2 臺，全程的行駛速度穩(wěn)定在10～30km/h，且車輛采取并排行駛的方式，期間做好測量工作。整理實(shí)測的動力系數(shù)，得知該值的取值范圍為1.06～1.153。

對比分析得知，在速度保持一致的前提下，就實(shí)測沖擊系數(shù)值而言兩項試驗的結(jié)果存在差異，有障礙行車試驗的實(shí)測值相對更大，表明若橋面表現(xiàn)出不平整的狀態(tài)，則會形成更明顯的沖擊作用。整理并分析上述所提的試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)各項力學(xué)指標(biāo)都得到有效的控制，均滿足要求；且試驗階段并未出現(xiàn)任何程度的受力裂縫，已經(jīng)形成的裂縫也未發(fā)生變化，說明橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，滿足設(shè)計要求。

5.3 跳車試驗

取0.15m 厚的墊木，將其平穩(wěn)放置在主橋跨中處，配置30t 試驗車，其在通行過程中將經(jīng)過墊木處，后輪將于該處落下，車輛的作用形式在瞬間發(fā)生改變，橋梁將承受明顯的沖擊作用，可見上下振動現(xiàn)象。試驗期間選用動力測試系統(tǒng)，以便檢測1/2 截面的動撓度，在獲取采集到的數(shù)據(jù)后對其加以分析。為保證所得結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)從中剔除最大值，計算后確定合適的激振頻率。

5.4 剎車試驗

30t 的車輛全程勻速行駛（20km/h），到達(dá)1/2 截面后急剎車，橋梁承受較強(qiáng)的沖擊力，通過配套的動力測試系統(tǒng)加以檢測，以便掌握動撓度的最大值。以現(xiàn)場情況為準(zhǔn)合理選擇設(shè)備，具體為DH5922 型測試系統(tǒng)，使其連接動態(tài)傳感器，通過對所得數(shù)據(jù)的整理后，創(chuàng)建振動時程曲線，再根據(jù)此結(jié)果進(jìn)一步分析，提取結(jié)構(gòu)動力特征參數(shù)。

6 橋梁動載試驗結(jié)果分析

6.1 基頻

根據(jù)檢測結(jié)果可知，橋梁基頻為2.9297Hz，通過與理論值2.4912Hz 對比分析可知其相對較大，意味著結(jié)構(gòu)振動頻率存在一定幅度的提升，同時在剛度方面的表現(xiàn)也較為良好。關(guān)于具體結(jié)果，如表4 所示。

表4 結(jié)構(gòu)基頻理論計算值與試驗測試值的對比

6.2 阻尼比

根據(jù)檢測結(jié)果可知，阻尼比為0.0813，相較于經(jīng)驗值而言更大，可以說明橋梁的抗震性能良好，加固效果符合預(yù)期要求。

6.3 沖擊系數(shù)

根據(jù)檢測結(jié)果得知，沖擊系數(shù)實(shí)測值為1.0289，相較于理論值1.1742 而言更小，由此表明橋梁動力性能表現(xiàn)良好，具體內(nèi)容如表5 所示。

表5 橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)試驗結(jié)果及與理論值的對比

7 結(jié)束語

橋梁荷載試驗檢測有助于工程技術(shù)人員掌握橋梁設(shè)計與施工情況，是評價全橋品質(zhì)的重要手段。本文結(jié)合橋梁工程實(shí)例，根據(jù)實(shí)際情況開展了靜動載試驗，結(jié)果表明橋梁的各項力學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)良好，可滿足要求。而基于本文對荷載試驗的探討，也希望給類似橋梁工程提供參考，從而推動橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。