橋梁靜載試驗撓度測量方法研究

王德魁

(大連市航運和物流發展服務中心 大連市 116021)

0 引言

橋梁檢測中的靜載試驗是判定橋梁質量與性能的有效方法之一，通過荷載試驗實測橋梁結構應變或變位與計算應變或變位的對比確定橋梁結構或構件承載能力檢算系數[1]，從而評價橋梁的質量與安全性，其中對橋梁結構撓度的測量可以直觀地反應結構性能，而其測量精度對橋梁狀況的評定會產生非常重要的影響。

常用的橋梁撓度測量方法主要分為如下幾種：全站儀測量法、百分表測量法、精密水準法、靜力水準測量法、GPS測量法等，不同測量方法的測量精度、測量速度、試用條件不同。實際使用中需根據理論計算結果、規范規定以及實際的工作環境等因素進行選定。

1 撓度測量原理及精度

不同的撓度測量方法及原理不相同，下面對上述六種撓度測量方法精度、原理及適用條件分別進行闡述和分析。

1.1 全站儀測量法

全站儀測量實際是利用“光電測距三角高程法”對橋梁結構撓度進行測量，其適用原理如下：

Δ=S1sinα1-S2sinα2

其中：S1、S2為斜距；α1、α2為豎直角。

全站儀通過測量站位點與被測點之間的水平距離和天頂距(或高度角)，進而求得兩點之間的高度差。使用全站儀進行撓度測量時，其誤差主要來源于兩個方面：

(1)人為因素：對于梁高較低，橋面寬度較大的橋梁，固定全站儀后，夾角α較小。因此在每次加載后進行測量時很難準確定位到觀測點，進而導致測量結果出現誤差。因此全站儀一般在橋梁高度較大的條件下使用。

(2)環境因素：大氣折光現象。在進行三角高程測量過程中，大氣折光變化會對撓度測量值產生影響。因此在使用全站儀進行撓度測量時，一般選擇夜間操作，此時大氣狀態相對比較穩定。

1.2 百分表測量法

百分表是一種比較傳統的撓度測量方法。在進行墩(臺)頂撓度測量時，可利用鐵餅直接將百分表固定在蓋梁頂部，感應器與梁底測點對接即可；當對跨中撓度進行測量時，需通過鋼絲線懸掛重錘，重錘底部與百分表感應器對接。當測量精度較高時還可以選用千分表。百分表進行撓度測量的原理是，通過齒輪轉動設備將測點撓度值放大，并將直線往返運動轉換成指針的轉動，從而顯示其位移數值。使用該方法進行撓度測量時，其優點是設備價格較低，操作簡單，測量結果相對穩定。其誤差主要包括如下兩方面：

(1)人為誤差：百分表測量撓度需通過人工讀數，因此會產生人為誤差。

(2)環境因素：當利用鋼絲線懸掛重錘進行測量時，受風影響較大，而且梁高越高影響越明顯，因此該方法適合梁高較低的情況下使用。

1.3 精密水準法

精密水準儀是一種在橋面上進行撓度測量的儀器，其測量原理是首先架設水準儀，設立一個不動點作為基準點，在測點位置豎立水準尺，通過測量測點與基準點之間的高差來推算撓度變化，該方法測量速度快，計算簡便。其測量誤差主要包括如下三方面：

(1)人為誤差：需通過人工讀數，因此會產生人為誤差。

(2)在進行加載卸載過程中水準儀架設位置如果受到擾動會對測量結果產生影響。

(3)對于撓度變化較大或跨徑較大的橋梁，水準儀架設位置與測點間距離較遠，或需通過多次轉點進行測量，會對測量結果產生較大影響。

1.4 靜力水準測量法

靜力水準測量法是一種測量精度較高，測量結果穩定，數據可靠的測量方法，其測量精度可達到±0.1mm，其主要原理為連通管，利用連通管將各測點連接起來，以觀測各測點間高程的相對變化。該方法已實現自動化數據采集和處理，測量時可進行實時采集。該方法測量速度快，但造價高，安裝過程較為繁瑣。其量程一般小于20cm，因此不適用于撓度變化較大的橋梁。

1.5 GPS測量法

GPS測量法分為靜態測量、準動態測量和動態測量三種測量模式，不同的測量模式，其測量精度和測量速度存在較大差別，一般靜態測量的精度最高，可達到±1mm，但其測量時間較長，一般需1h以上；而準動態測量和動態測量的精度僅為±1cm，測量精度較低。因此，對于大撓度橋梁的檢測，由于撓度值較大，應用GPS觀測還是可以考慮的[1]。

2 靜載試驗

靜載試驗是一種評定橋梁結構運營狀態及安全性能的檢測手段。橋梁結構靜載試驗是按照橋梁的設計荷載等級，根據荷載的最不利位置，布置靜載，或者根據橋梁結構的控制內力確定荷載及其位置，對橋梁結構進行加載[2]，通過對數據的測量及分析，進而評定結構的性能。

2.1 靜載試驗內容

通過理論計算得出加載方案，采用配重車加載方法對橋梁進行靜載試驗[3]，然后進行數據的采集和記錄。本次靜載試驗主要包括邊跨正彎矩工況、中跨正彎矩工況和支點負彎矩工況，測試內容主要包括：

(1)結構的豎向撓度，主要為主梁跨中撓度，每跨跨中選取5個測點，并取得最大的撓度及變形值，同時觀測支座下沉值[4]。

(2)結構控制截面的最大應力(應變)[5]。

2.2 試驗目的

根據相關試驗準則、試驗依據，確定本次檢測及試驗目的如下：

(1)通過測量橋梁結構在靜力試驗荷載作用下的變形和內力，確定橋梁結構的實際工作狀態與設計期望值是否相符，檢驗橋梁結構實際性能，如結構的強度、剛度等是否達到設計要求。

(2)橋梁運營管理提供基本信息或參考依據，為橋梁的管理、養護維修，積累技術資料。

(3)確保橋梁承載能力滿足設計荷載標準。

(4)采用不同方式進行靜載試驗撓度數據采集，處理之后分別與理論值進行對比分析，為靜載試驗撓度測量儀器設備的選擇提供參考。

2.3 儀器設備

(1)應變測試儀：應變計、橋梁結構靜態數據采集儀。利用該儀器設備實現無線采集。

(2)撓度測試儀器：全站儀、百分表、千分表、精密水準儀、靜力水準，分別采用四種方式進行撓度數據的采集。

(3)裂縫發展情況測量儀器：裂縫卡片、裂縫測寬儀。

2.4 理論計算

利用有限元分析軟件，在不考慮橋面鋪裝中瀝青和混凝土共同受力的情況下，以設計活載作用下計算得到的內力以及應力、撓度作為加載中的控制效應進行控制。在計算模型中對計算模型相關參數進行適當調整，使模型能真正反映橋梁結構現狀[6]。以39t標準三軸自卸車作為加載物制定加載方案。根據《公路橋梁承載能力評定規程》(JTG/T 21—2011)條文8.1.2的規定，靜力試驗荷載可按控制內力、應力或變位等效原則確定。靜載試驗效率介于0.95～1.05之間[7](1.0為最佳加載效率)。

2.5 連續梁橋靜載試驗撓度測點布置

在進行T梁靜載試驗時需在跨中每片T梁底部設置撓度觀測點，同時需測量墩頂處撓度變化情況，以兩者撓度變化差值作為主梁跨中最終的加載撓度，如圖1～圖3所示為撓度測點布置情況。

圖1 主梁跨中撓度測點縱向布置圖

圖2 跨中撓度測點布置圖

圖3 支點撓度測點布置圖

2.6 靜載試驗加載方法

本次靜載試驗分為四級加載，加載效率分別為：50%、70%、90%和100%，卸載為一級。為控制加載試驗中結構殘余變形對試驗的可能影響，待靜力荷載試驗完全加載到位后，應將試驗車輛發動機關閉并持續至少5min，待試驗數據完全穩定后現場記錄，將卸載與緊鄰的加載時間間隔控制在5min內[8]。在進行正式加載之前，需先進行預加載，待穩定后進行數據測量，避免結構出現塑性變形等情況，并確保儀器設備的能夠正常運行，然后再進行正式加載。如圖4所示為靜力加載時采用的加載車。

圖4 三軸自卸車加載現場照片

2.7 連續T梁靜載試驗結果分析

根據本連續T梁建設的相關要求、標準以及荷載試驗規范，通過測量數據(應變、撓度、裂縫發展情況)與控制指標的對比，對本次靜載試驗結果進行分析，以確定該橋梁是否滿足安全運營要求。對本次靜載試驗采用四種方法對主梁撓度進行測量，如表1所示為第54孔跨中四級加載后撓度的理論值、實測值以及加載效率。

表1 四級加載主梁跨中撓度結果表 mm

3 結論

(1)對于文中涉及到的橋梁，由于其橋下凈空相對較小，橋下地面平整，適用百分表測量法，其測量精度可達±0.01mm，當對測量精度要求較高時，還可以使用千分表，其測量精度可達±0.001mm。利用“百分表測量法”實測值對其他幾種方法進行校核可發現，“靜力水準測量法”測量值較準確，而全站儀和精密水準儀測量結果存在一定偏差。

(2)靜力水準法測量精度較高，而且可實現自動化實時采集。當橋梁撓度變化相對較小，且滿足靜力水準儀器安裝條件時，可采用該方法進行撓度觀測。

(3)對于大跨度橋梁，由于一般其橋下凈空較高，且在進行靜載試驗時撓度變化較大，可采用全站儀觀測，其測量精度可以滿足要求，但測量速度較慢。

(4)撓度測量是靜載試驗中反映橋梁結構性能即安全性的關鍵性指標之一，采用不同的方法進行測量，其使用方法、適用條件、觀測精度以及測量速度都存在較大的差別。因此在進行橋梁檢測時需根據相關要求及實際工程進行選取。