荷載試驗在橋梁檢測中的應用分析

黃富興

（廣東恒泰公路工程有限公司，廣東 梅州 514087）

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展和基礎交通設施網的擴大，公路橋梁工程建設規模也逐漸增加，同時對橋梁結構的質量控制更加嚴格。為了確保橋梁的承載能力和運營壽命滿足設計文件要求，必須對其進行質量檢測。近年來，國內外學者和工程技術人員針對橋梁檢測技術開展了一系列研究，雖然使測量設備和測量技術不斷進步，橋梁設計的計算理論更加完善，但是仍未形成統一的學術觀點[1-2]。為了確保行車安全，必須結合項目的實際情況制定相應的檢測方案，不能盲目照搬其他項目。因此，進一步分析、探討荷載試驗在橋梁檢測中的應用具有十分重要的工程意義。

1 橋梁荷載及荷載試驗分類

1.1 橋梁荷載分類

橋梁荷載分類方法并無統一標準，一般包括永久荷載、可變荷載和偶然荷載。

1.1.1 永久荷載。永久荷載是指在橋梁結構使用期間，不隨時間變化或變化較小、基本可以忽略的荷載。永久荷載主要有上部結構及附屬設備重力、墩臺重力、土壓力、水浮力等。值得注意的是，在結構使用極限狀態設計時，預應力應視作永久荷載，在承載能力極限狀態設計時，預應力應作為結構抗力。

1.1.2 可變荷載。可變荷載是指在橋梁結構使用期間隨時間變化較大的荷載。可根據其對橋梁運營安全性的影響大小劃分為基本可變荷載和其他可變荷載兩大類。前者包括車輛荷載、人群荷載、汽車沖擊力及車輛荷載在橋臺后填土產生的土側壓力等；后者包括風荷載、汽車制動力、流水壓力、冰壓力等。

1.1.3 偶然荷載。偶然荷載通常是指橋梁工程在運營過程中出現概率低，但對橋梁結構的安全性影響巨大，且持續時間很短的荷載，主要包括地震荷載、船舶或漂流物撞擊力等。

1.2 橋梁荷載試驗分類

橋梁荷載試驗涉及橋梁結構的計算理論、試驗測試技術、儀器儀表性能、數理統計等專業知識，具體分類方法及基本特征見表1[3]。

表1 橋梁荷載試驗分類

2 橋梁結構荷載試驗的基本理論

2.1 靜載試驗分析

2.1.1 靜載試驗程序

靜載試驗流程如圖1所示，主要可分為以下三個階段[4]：第一，試驗方案設計及準備階段。試驗開始之前，應明確試驗的要求和目標，并參考設計圖紙、文件等，制定出經濟合理的試驗方案。試驗方案制定完成后，及時搭設試驗腳手架，對加載、卸載位置進行放樣，并提前準備好加載所需的重物。第二，試驗加載與觀測階段。加載與觀測是靜載試驗的關鍵環節。這一階段需要遵循預先制定的試驗方案，并選擇合適的加載方式和加載設備進行加載。加載時，負責數據記錄的技術人員應將試驗測得的各種指標與理論計算結果進行對比分析，以判斷此時的結構受力是否正常。第三，數據分析階段。原始測試資料往往雜亂無章，條理性和規律性較差，其中可能包含大量的觀測數據、現場文字記載和圖片等材料，故需要利用數理統計知識或專業的數據分析軟件對原始資料進行科學分析。

2.1.2 靜載試驗開展的原則。為了確保靜載試驗能更加準確地測定、評價公路橋梁的安全性和技術狀況，在開展荷載試驗的過程中，應堅持以下幾個方面的原則：

（1）試驗跨選取。技術人員在制定試驗方案時通常選擇結構中受力最不利、施工質量相對較差的橋跨作為研究對象。橋梁在施加荷載過程中自身會受到壓力，所選擇的試驗跨既要能反映出結構的受力變形特性，又不會對橋梁結構造成新的損傷。

（2）各控制截面內力、各控制點變形等效。

（3）荷載效率系數不宜過小或過大，宜控制在0.85～1.05。荷載效率系數過小無法真實表示橋梁在運營期間的工作性能，荷載效率系數過大可能導致局部損壞開裂，對橋梁的安全性評價不利[5]。

2.1.3 測點設置、工況選擇。靜載試驗的荷載工況選取應以“最不利受力狀態”為原則，結構形式簡單的橋梁可選取1～2 個荷載工況，結構形式復雜的橋梁可選2～3 個主要的荷載工況。

靜載試驗的測點設置與荷載工況密切相關。主要測點的數量不宜過多（通常可布設3～5 個測點），但應能準確測量出受檢跨和相鄰跨的最大應力（位移）。在條件允許時，同一測點可通過不同的測試方法相互校對。連續箱形橋的頂板、底板、腹板測點宜分別布設十字應變花、十字應變花、45°應變花。對于預應力混凝土結構，可在混凝土表面貼上標距為5mm×150mm 的應變片。

2.1.4 靜載試驗荷載效率系數。靜載試驗荷載效率系數計算公式如下[6]：

式（1）中：

Ss——橋梁結構控制截面內力的計算值；

S——橋梁結構控制截面最不利內力的計算值；

μ——沖擊系數。

由上文可知，靜載試驗荷載效率系數宜控制在0.85～1.05。當橋梁的調查、檢算工作較完善且加載設備能力有限，ηq可取低值；反之，ηq應取高值。

2.1.5 加載方式確定。靜載試驗加載主要有重物加載和車輛加載兩種方式：

（1）重物加載。該加載方案簡單，可通過直接在橋面堆放重物或設置水箱加載，但前期準備工作量大，加卸載周期較長，交通中斷時間長。如果采用重物直接加載于橋面，不宜一次加載，應將重物化整為零后逐級加載；如果選擇水箱加載，難以直接測定水的重力時，可利用水體積×密度進行換算。

（2）車輛加載。車輛加載具有便于調運、加卸載迅速等優點，既可以做靜載試驗又能做動載試驗，應用較廣泛。車輛可選擇裝載重物的汽車或平板車，重物應平穩放置在車內。車輛加載時，駕駛人員應將車輛逐輛開上稱重臺，并進行稱重。

2.2 動載試驗分析

由于引起橋梁結構振動的振源及結構自身的振動響應均隨時間動態變化，動載試驗相對于靜載試驗具有一定的特殊性。動載試驗也分為準備、試驗、分析三個階段，一般采用精度高、量程大、穩定性好的電測儀器對現場實橋進行非破壞性試驗。動載試驗測試系統的原理如圖2所示。

2.2.1 動載試驗的加載方式。動載試驗的加載方式包括跑車試驗、剎車試驗、跳車試驗。跑車試驗指車輛以不同速度在橋面勻速行駛的試驗，行車速度可取10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h。剎車試驗是指車輛先以不同速度在橋上規定地點剎車，再重新啟動進行試驗。剎車試驗時行車速度較低，不宜超過40km/h。跳車試驗前需在橋面設置障礙物，隨后車輛以不同速度跨越障礙物進行試驗。障礙物的高度和車輛的行駛速度均不宜過高，否則會對車輛及駕駛員的安全產生不利影響。

2.2.2 沖擊系數計算。通常用沖擊系數來考慮車輛荷載的動力效應，沖擊系數的計算可利用各個控制截面測點的動應變或動撓度曲線，具體計算公式如下：）

式（2）中：

ymax——動載作用下測點的最大應變或撓度；

ymean——靜載作用下測點的最大應變或撓度；

μ——沖擊系數。

3 基于有限元的橋梁荷載實例分析

以某預應力連續小箱梁橋為研究對象，利用有限元軟件ANSYS 建立計算模型，分析了跑車試驗下橋梁結構各測點位移的變化規律。

3.1 工程概況

研究項目為廣東某地區改造公路，公路等級為一級。某大橋原為3m×30m 鋼架拱橋結構，改造擬將原橋拆除重建。新建的橋梁設計上部結構采用4m×25m 預應力連續小箱梁結構，先簡支安裝，后結構連續，下部結構采用柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎，樁直徑1.4m，墩直徑1.2m。

3.2 計算模型建立

為了更加準確地模擬該橋的受力特征，模型中的邊界條件、質量和剛度等參數應與實際結構盡可能地保持一致。橋梁結構模型的建立流程主要包括：CAD導入幾何模型—定義橋梁結構各部位的材料屬性—施加墩梁處的荷載及邊界條件—確定網格尺寸、劃分單元格—模擬恒載作用下橋梁結構的應力應變狀態。

單元選擇：小箱梁及其橫隔板采用節點自由度為6 的She1163 三維殼體單元，該單元既可承受面內荷載也能夠承受面外荷載，其余部位采用BEAM4 單元模擬。

網格劃分：在綜合考慮計算精確和計算效率的前提下，對橋面尺寸加密，網格尺寸取0.2m，其他部位網格尺寸取0.4m，共劃分出12663 個節點，10885 個單元，如圖3所示。

3.3 橋梁位移計算

利用有限元軟件進行計算車輛分別以20km/h、40km/h、60km/h 的速度勻速通過橋面時（相同速度重復行駛2～3 次），橋梁結構第一跨的跨中動撓度，計算結果見表2。

表2 不同行車速度下橋梁結構的動撓度

計算結果表明：車輛通過橋面速度越快，各測點的動撓度越大，且兩者之間基本呈線性變化。當車速達到60km/h 時，測點的動撓度最大，此時測點1 和測點2 的動撓度分別為0.81mm、0.47mm，相應的動力放大系數分別為1.11、1.22。

4 結論

本文研究了橋梁荷載試驗的分類方法、靜載試驗和動載試驗的基本理論，并依托實際案例分析了跑車試驗下各測點位移的變化規律。主要得到以下結論：其一，橋梁荷載試驗是一項復雜的系統工程，可按照試驗內容、試驗對象、破壞性等進行分類；其二，橋梁結構的靜載試驗可分為試驗方案設計及準備階段、試驗加載與觀測階段、數據分析階段，其加載方式有重物加載和車輛加載兩種；其三，動載試驗的加載方式包括跑車試驗、剎車試驗、跳車試驗，通常利用沖擊系數來模擬車輛荷載的動力效應；其四，橋梁結構各測點的動撓度會隨車輛通過橋面速度的增加而變大，且兩者之間呈線性正相關。