橋梁模型試驗與新型測試技術2019年度研究進展

洪彧，楊仕力，劉雨，楊永清，蒲黔輝

(西南交通大學 a.土木工程學院；b. 陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室，成都 610031)

隨著交通事業的發展，線路對跨越江河湖海、山川溝壑的需求不斷增加，為適應復雜多變的地理環境，各種形式的大跨橋梁應運而生。隨著橋梁設計中新材料、新工藝的不斷引入，結構關鍵部位的受力特性、安全性、耐久性、適用性等需特別關注。盡管現代仿真計算已十分先進，但研究人員仍常采用模型試驗與仿真模擬相結合的方式來掌握結構真實的受力情況。模型試驗與原橋試驗相比，具有參數易控制、環境條件限制少、經濟性好、針對性強、數據易收集等優點，其對橋梁工程的發展有著不可替代的作用[1]。

近年來，伴隨新材料、智能化裝備以及5G技術的發展，橋梁模型試驗技術水平不斷提高。筆者通過文獻調研的方式，梳理了2019年度在靜力、疲勞、振動臺、混合試驗等方面橋梁模型試驗與新型測試技術的發展情況，針對典型工程案例模型試驗及開展的相關關鍵科學問題研究進行評述，以期為廣大同行開展類似研究工作提供參考與思路。

1 靜力模型試驗

1.1 主梁靜力試驗

主梁作為重要受力構件，其承載性能關系到整橋結構的安全。為最大程度還原主梁結構的真實受力狀態，許多試驗采取了對主梁全截面縮尺或截取局部截面進行直接加載的方式。

維修加固方面，李艷等[7]通過工程纖維增強水泥基復合材料修復既有混凝土梁的彎曲試驗，分析了界面粗糙度、ECC層厚度與既有混凝土梁損傷參數對修復梁界面粘結和受彎性能的影響。

1.2 錨固區靜力試驗

索梁(塔/拱、錨)及預應力錨固區等錨固結構是傳力的關鍵結構之一，通常具有應力分布集中、結構構造復雜等特點，其力學性能將直接影響橋梁的安全性與耐久性。錨固區靜力試驗通常直接對所截取的錨固區結構進行加載，因而對錨固區結構試驗模型邊界條件的模擬、加載的方式顯得尤為重要。同時，對于縮尺模型試驗，在狹小的內部空間如何布設測試儀器和如何通過縮尺模型準確還原結構行為也是此類靜力試驗需要關注的重點。因而，試驗時常采用增加非考察區域截面積的方式模擬原橋結構的邊界條件，并減小圣維南效應的影響，以達到應力等效的目的。試驗時也常通過在模型制作過程中提前布設測試儀器的方式來避免模型制作完成后測試儀器難布設的問題。

針對懸索橋纜索錨固系統，王東英等[13]依托綠枝江大橋隧道錨工程，開展隧道錨1∶100室內三維地質力學模型試驗，通過將轉向后的兩錨碇散股合束來控制兩錨碇荷載的同步施加，控制油壓泵和空心千斤頂分級加載，通過有效模擬散索鞍、主纜散股、預應力管道、鋼絞線等傳力構件，真實地還原了橋梁隧道式錨碇的傳力路徑和特征。

針對拱橋吊桿錨固區，詹剛毅等[14]采用靜載試驗對剛架拱連續梁組合橋的銷鉸索梁錨固區傳力機理進行了研究，試驗采用逐級加載觀測其應變和裂紋，探究模型試件在試驗過程中的應力變化，明確了吊桿中力的傳遞途徑。

圖1 斜拉橋鋼混組合索塔錨固結構試驗模型構造[12]Fig.1 Experimental model of the steel-concrete composite cable pylon anchorage structure of a cable stayed bridge [12]

1.3 橋塔靜力試驗

圖2 獨塔斜拉橋塔梁結合段試驗[16]Fig.2 Test on the pylon girder joint section of a single pylon cable stayed bridge [16]

1.4 纜索靜力試驗

纜索是斜拉橋和懸索橋等大跨度橋梁的主要承重構件，李傳習等[17]通過縮尺模型試驗研究了空間鋼絲繩主纜在三向荷載作用下截面的扭轉特性及扭轉角變化規律，揭示了空間主纜扭轉及正反扭原理；沈銳利等[18]通過縮尺模型試驗研究了主纜力作用下的索鞍位移、輥軸接觸應力分布規律和輥軸活動性能；徐玉林等[19]對外包30 mm厚陶瓷纖維的碳纖維增強復合材料(CFRP)纜索的耐火性能進行了火災試驗研究；De Abreu等[20]對用于斜拉系統或預應力混凝土結構的高強度冷拔型鋼絲進行了拉伸和橫向靜力加載試驗，研究了其在承受靜態橫向和靜態及循環軸向載荷的失效行為。

1.5 支座靜力試驗

1.6 剪力鍵推出試驗

綜上所述，模型試驗在探究各種橋梁構件的靜力力學性能中發揮著重要作用。隨著橋梁結構呈現出輕型化、大型化的發展趨勢，更加復雜的橋梁結構構件也隨之出現，必然對試驗場地、試驗設備、邊界條件模擬等有了更高的要求。

圖3 Bamaga設計剪力連接件布置[27] Fig.3 Fig.3 Arrangements of shear connectors. [27]

2 疲勞模型試驗

2.1 鋼結構橋梁疲勞模型試驗

雖然正交異性鋼橋面板在設計、制造、檢驗和維護方面進行了許多改進，但由于直接受車輪的反復加載而導致其疲勞開裂仍然是一個突出的問題。

Shi等[29]為研究鐵路正交異性鋼橋面加勁肋與橫隔板連接處疲勞敏感區的疲勞性能，進行了同時包含2個U肋及2個V肋的正交異性橋面足尺疲勞試驗模型，如圖4所示，并進行了560萬次疲勞加載，該模型將兩種不同形式的閉口肋合并在一起，保證了模型和原橋結構的等效性，突出了閉口肋結構形式對該疲勞敏感部位疲勞性能的影響，并減少了試驗模型數量和試驗流程，提高了試驗效率。王會利等[30]為了研究某斜拉橋錨箱結構的疲勞性能，采用結構應力法評估了錨箱的疲勞壽命，并通過足尺模型試驗研究了錨箱超長期服役的疲勞性能。

圖4 正交異性橋面足尺疲勞試驗模型[29] Fig.4 Full-scale fatigue test model of the orthotropic bridge deck [29]

圖5 UHPC鋼組合橋面體系典型構造形式(左)及加載示意圖(右)[31] Fig.5 Typical structural form of UHPC-steel composite bridge deck system (Left) and loading schematic diagram (Right) [31]

2.2 混凝土結構橋梁疲勞模型試驗

在長期反復疲勞荷載作用下，混凝土結構橋梁也會發生疲勞破壞。宋力等[34]基于現有的測試方法，結合光纖光柵傳感技術和FRP智能鋼絞線感知原理，提出了重載鐵路預應力混凝土梁疲勞試驗測試方法，并通過2根大比例模型梁驗證了光纖光柵傳感技術在預應力混凝土梁疲勞試驗中應用的可行性，分析了重載鐵路預應力混凝土梁疲勞損傷演化機理和特征，為既有重載鐵路橋梁評估和加固提供了參考。Pu等[35]對24 m全預應力比亞迪新型跨座式軌道梁足尺模型進行了600萬次疲勞加載試驗(如圖6)，研究了該軌道梁疲勞后的剛度衰減程度。

圖6 軌道梁模型試驗裝置及MTS加載系統[35] Fig.6 Model test device of the track beam and MTS loading system [35]

2.3 纜索腐蝕疲勞試驗

纜索是懸索橋、斜拉橋的重要組成部分，起著承重連接的重要作用，但纜索的腐蝕疲勞極大地降低了橋梁的使用壽命，影響了結構的使用安全。纜索腐蝕疲勞是交變機械作用和腐蝕化學作用共同影響下的脆性斷裂過程，這種相互作用會導致材料的抗疲勞性能大大降低，是一種非常惡劣的失效形式。Ma等[36]討論了腐蝕鋼絲缺口尺寸與疲勞壽命的關系，并使用臨界區法預測了不同腐蝕等級下纜索鋼絲的疲勞壽命，該方法考慮了缺口試樣的臨界距離和平均應力幅值，并在MTS平臺進行疲勞加載試驗以驗證該理論。Wang等[37]建立了帶腐蝕坑鋼絲的數值模型，提出了腐蝕介質與疲勞載荷耦合的損傷演化模型，描述了鋼絲的腐蝕疲勞損傷演化過程，并通過電鏡掃描驗證了該理論。

除上述鋼橋結構疲勞、混凝土結構疲勞和纜索腐蝕疲勞研究外，關于組合結構疲勞性能的研究逐漸增多，主要集中在研究疲勞引起不同材料界面滑移的機理、組合結構疲勞壽命預測，以及疲勞可靠度等。但疲勞模型存在試驗周期長，加載方式相對單一，難以模擬多作動器復雜工況下結構的受力等不足。因此，適應復雜工況的疲勞加載設備，新的疲勞試驗技術是適應橋梁發展趨勢的研究方向。

3 基于振動臺的橋梁抗震模型試驗

3.1 橋梁整體結構抗震模型試驗

相比擬靜力試驗和擬動力試驗，振動臺能較真實地再現實際結構在地震下的響應全過程，是目前抗震研究中應用最廣泛的試驗方法之一。因此，眾多學者從橋梁結構形式、施工方法和地震激勵模式等角度出發進行了大量振動臺試驗研究。邵長江等[38]為研究獨柱橋墩的抗震性能，設計并制作了縮尺圓形截面獨柱墩簡支梁橋模型，利用振動臺試驗測試并分析了橋梁在不同等級加速度下的損傷狀態及動力響應規律，如圖7所示。

圖7 獨柱橋墩簡支梁橋模型[38] Fig.7 Model of the simply supported beam bridge with single column pier [38]

3.2 橋梁局部構件抗震模型試驗

韓國慶等[42]通過振動臺雙向加載對成蘭鐵路空心橋墩的動力特性及抗震性能進行了研究(如圖8所示)，并對比分析了設計參數對圓端形薄壁空心墩抗震延性的影響。李佳文等[43]以配筋為0.3%和0.5%的少筋混凝土重力式矩形橋墩為原型設計制作了2個縮尺模型，以探究混凝土重力式橋墩的抗震性能。羅敏敏等[44]為研究加筋土柔性橋臺復合結構抗震性能，以美國特拉華州的Guthrie Run橋的橋臺為原型制作了縮尺模型，并進行了振動臺試驗，結果表明加筋土柔性橋臺復合結構具有良好的抗震性能。Wen等[45]通過振動臺試驗研究了傳統摩擦擺支座(FPB)和新型三摩擦擺支座(TFPB)在橋梁上應用的抗震性能和隔震效果，結果表明，TFPB能可靠地用于被動控制橋梁的地震響應，滿足高地震區基于性能抗震設計理念的要求。Brito等[46]通過單向振動臺試驗對所提出的一種具有低成本滑動擺系統的新型鋼筋混凝土橋墩的抗震性能進行了評價。試驗結果表明，可以通過建立適當的滑動面半徑，減小傳遞給下部結構的剪力和殘余位移。

圖8 鐵路空心橋墩模型及振動臺模型試驗系統[42] Fig.8 Railway hollow pier model and shaking table test system [42]

目前，振動臺試驗多采用單個振動臺對橋墩、橋塔以及支座進行試驗，且試驗成本較高。隨著復雜地理環境下橋梁的規劃和修建，針對地震動空間效應的研究將會增多，采用地震臺陣對試驗模型進行多點激勵將是抗震試驗進一步的發展方向。

4 混合試驗

結構混合試驗(hybrid testing)，又稱擬動力試驗(pseudo-dynamic testing)或聯機試驗，是一種將數值模擬與物理試驗相結合的新興結構抗震試驗方法。自1992年提出以來，廣泛應用于房屋結構的抗震性能研究中，并逐漸應用于橋梁結構抗震性能研究中。清華大學、武漢理工大學、哈爾濱工業大學、中國地震局工程力學研究所、福州大學、北京建筑大學、湖南大學等團隊在混合試驗技術方面均卓有成就。

袁輝輝等[47]對雅西高速干海子特大橋鋼管混凝土格構柱橋墩縮尺模型進行了擬動力試驗，研究在不同強度地震和主余震作用下此類結構的變形、強度、剛度、耗能等抗震性能。研究結果表明：平綴管式鋼管混凝土格構柱具有良好的抗震性能，在9度罕遇地震作用下，鋼管混凝土柱肢才會發生屈服，進入彈塑性工作狀態。通過鋼管混凝土格構柱在各地震工況下的強度與變形的驗算，進一步表明此類結構具有足夠的強度儲備和良好的變形能力，在經歷多次強震后仍能保持一定的承載能力，在高烈度地區的橋梁工程中具有極大的應用前景。Mei等[48]為研究剛構橋薄壁空心截面高墩的抗震性能，提出了一種基于子結構數據的混凝土本構參數的在線修正混合仿真(UHS)方法，如圖9所示。采用該識別方法對一層樓框架內的UHS進行了數值驗證并將UHS應用于鋼筋混凝土橋梁。結果表明，與未進行模型更新的標準方法相比，所提出的參數辨識方法和相應的在線更新方法具有良好的性能和魯棒性。針對模擬橋梁的地震反應，給出了結構的損傷演化和破壞模式。

混合試驗可以解決實際結構因尺寸、質量等過大而引起的超過試驗設備負荷等問題，相較于純有限元模擬，混合試驗中模型的剛度由試驗反推得到，它能夠記錄結構在破壞過程中剛度的真實變化；相較于擬靜力試驗，混合試驗能夠更好地揭示結構在實際地震荷載作用下的響應；相較于傳統擬動力試驗，混合試驗能提高動力方程的求解效率和精度；相較于振動臺試驗，混合試驗可以提前定義質量參數，不用擔心配重不足所引起的結構地震響應失真問題。然而，目前混合試驗在橋梁結構抗震性能研究中較少，還需進一步開發試驗設備、加載控制系統以及優化分析求解方法。

圖9 子結構試驗裝置[48] Fig.9 Test system of the substructure [48]

5 新型測試技術

隨著各種數字化、自動化、智能化現代設備和儀器的快速發展，新型測試技術不斷涌現，對模型測試工作(包括受力狀態、微小變形、鋼及混凝土材料細微開裂破損等方面的探測和獲取)的效率和質量有著明顯提升作用。按測試目的大致可以分為以下幾類：1)應力應變；2)幾何位移；3)振動加速度；4)混凝土裂縫及內部缺陷探測；5)金屬裂紋探測；6)材料破壞探測等。

5.1 應力應變測試

光纖法由于其優秀的經濟性，被廣泛應用于結構應變監測。Ye等[49]通過分布式和離散光纖傳感器(FOS)系統，測量結構受力過程中的應變變化過程，與傳統應變片相比，大幅提高了測量精度。數字圖像相關技術同樣可應用于應變測試，Guo等[50]測試不同抗壓強度的高強混凝土抗拉性能時，采用了應變測量和數字圖像相關(DIC)技術來確定試樣的變形，如圖10～圖11所示。

圖10 基于DIC技術觀測的C80混凝土應變分布圖[50] Fig.10 Strain distribution diagram of the C80 concrete based on DIC technology [50]

圖11 傳統應變儀與DIC技術測得的應變對比[50]Fig.11 Comparison of strain measured by traditional strain gauge and DIC technology [50]

5.2 幾何位移測試

以往位移計是測試結構幾何位移最常用的儀器，隨著激光掃描技術、光纖傳感技術等的發展，新的測試技術開始在位移測試中逐步擴展。Bonopera等[51]運用光纖光柵差分沉降量測傳感器監測了預應力混凝土工字梁位移，避免了監測過程受環境影響和需要外部參考的問題。Ghaffar等[52]提出了一種基于宏觀彎曲損耗和光功率耦合效應的二維位移傳感器設計方法。此外，雷達技術也可以用于變形、位移測試，王鵬等[53]將雷達技術引入了橋梁振動變形測量與模態分析中，實現了對橋梁動靜載試驗時的連續變形監測與模態分析。

5.3 振動加速度測試

加速度計作為一種成熟技術被廣泛應用在結構振動加速度測試，當前不少學者對其進行改進開發以適應新的振動測試需求。Zhang等[54]采用絕緣體上硅技術對已有加速度計進行改造，研發了一種用于結構地震響應測試的電容式加速度計，有效提高了測試靈敏度。目前，還有基于視覺的振動加速度測試技術。Luna等[55]使用DIC和常規方法對橋梁模型的三維動態響應以及模態特性進行了測量，比較發現DIC技術可以更精確地監測和捕捉橋梁的動態響應。

5.4 結構溫度測試

在土木工程中，對溫度測量的精度和范圍一般要求都不高，一般精度在±0.5 ℃之內且測量范圍在-60～120 ℃的溫度傳感器均可。常用溫度傳感器有：熱電偶、集成溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器。其中，光纖光柵溫度傳感器不僅具有易與光纖連接和可靠性高的特點，而且傳輸損耗低、易陣列，能實現溫度的多點測量。溫度傳感器可用于監測橋梁溫度場分布，以及測試混凝土產生的水化熱和溫度變化對橋梁受力影響[56]。

5.5 混凝土缺陷探測

圖12 計算機斷層掃描技術拍攝的纖維混凝土開裂照片[58]Fig.12 Cracking of fiber concrete taken by computer tomography [58]

圖13 X射線照相法技術監測的復合材料載荷-位移曲線[59] Fig.13 Load-displacement curve of composite materials monitored by X-ray photography [59]

5.6 金屬裂紋探測

紅外線、金屬磁記憶、聲發射、渦流法等技術是金屬裂紋探測新技術中的主流，孫杰等[61]提出了采用主動式紅外熱成像技術對橋梁鋼結構涂裝進行檢測的方法，有效進行鋼結構涂裝質量的表征，并準確判斷出涂裝、是否有缺陷及缺陷的形式位置，更可檢測并放大肉眼不可見缺陷。蘇三慶等[62]進行Q235門式剛架擬靜力試驗時，研究了金屬磁信號在不同受力階段的變化特征，并建立了磁信號及其梯度值與應力集中部位的對應關系，通過金屬磁記憶技術較好的判斷了剛架應力集中部位，以預防裂紋產生。渦流法一般用于監測金屬劣化階段，Koichi等[63]分析調查渦流密度和磁場的分布，提出了一種渦流測試方法，提高了測試時對高碳纖維增強塑料的分層敏感性，如圖14所示。

圖14 渦流密度的分布[63] Fig.14 Distribution of eddy current density [63]

5.7 材料破壞檢測

圖15 掃描電鏡觀測下的鋼絲變形及斷裂缺口[20] Fig.15 Deformation and fracture notch of steel wire observed by scanning electron microscope [20]

現代高科技的引入讓高精度的無損測試逐漸成為主流，可更好的保證試驗結果的準確性和科學性。主要體現在基于視覺技術的結構響應無接觸測試、基于放射線、金屬磁記憶等技術的材料缺陷無損測試，以及基于高精度傳感器的結構應力應變和變形監測等。然而，此方面也面臨一些問題，例如精度較高且靈敏度好的無損檢測儀器價格都比較昂貴；多技術綜合測試方法雖已出現，但總體來說還比較缺乏。

6 展望

基于上述研究可知，模型試驗是探究各類新結構或新材料力學性能的最有效手段之一，也是研究復雜受力結構體系安全性、耐久性、功能性的常用手段，新型測試技術的出現也為更深入地探析橋梁結構的力學性能、傳力機理奠定了基礎，但橋梁模型試驗存在試驗周期長、成本高、邊界條件難模擬、測試手段常規等問題，因而需要結合多種分析及測試手段開展模型試驗。關于橋梁模型試驗及測試技術的未來發展方向，筆者提出以下幾個建議：

1)試驗設備的發展與建設：隨著橋梁跨徑、規模的不斷發展，橋梁關鍵結構構件的尺寸同樣不斷發展，試驗模型的尺寸與規模同樣越來越大；相應地，試驗模型規模越大，試驗加載模式亦更復雜，因此，對靜動力的多向、復雜加載設備進行研發的需求增多，如：大噸位多功能液壓伺服機(以實現對復雜工況的模擬)、雙向/三向異相位加載系統(在疲勞試驗中，需要考慮豎向、橫向、縱向多方向下不同加載力、加載頻率、加載相位的復雜受力模擬)、大尺寸鹽霧試驗箱(溫、濕、鹽侵蝕、荷載耦合模擬復雜侵蝕環境)等。

2)高精度新型測試傳感器的發展：隨著試驗要求的提高，為更深入地研究橋梁結構力學性能，需要發展更經濟的高精尖測試傳感器技術，同時也將結合AI進行智能測試，減少人為干擾，也一定程度保障了操作者的人身完全；此外，未來橋梁模型試驗可能引入更多的醫療、機械、航天航空方面的測試方法，并結合5G技術實現檢測、監測數據的高速無損傳輸。

3)無損探傷及金屬斷口電鏡設施：為了更深入地探究開裂或損傷的物理機理，需利用無損探傷設備及時準確探測試驗過程中混凝土開裂、鋼構件開裂等現象；同時，后期試驗結束后對材料、結構構件破壞形態進行分析，發展高精度電子顯微鏡也將越來越重要。

4)模型試驗成套技術的發展：針對不同種類的模型試驗，從試驗模型的設計、制作、加載，試驗測試控制與試驗后數據分析方面發展成套的試驗技術體系，并結合數值分析手段進一步拓展模型試驗成果。同時，隨著試驗測試數量的增多，發展相關數據的快速處理、測試誤差分離技術十分重要，將直接影響試驗結果分析的準確性。