荷載試驗在橋梁檢測中的應用

桂永旺 萬嬌

摘 要：橋梁結構形式多樣，在后期投入使用后可能因為偶然因素、超載超速車輛通行等原因出現結構變形、失穩等問題，影響橋梁的正常使用。為檢測橋梁的各項指標，相關部門需根據橋梁規模和特點規范開展荷載試驗，通過試驗結果來養護、維修橋梁。重點分析了橋梁檢測中荷載試驗的應用要點，對橋梁檢測具有指導與借鑒價值。

關鍵詞：橋梁檢測；荷載試驗；應用

中圖分類號：U445? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）05-0098-03

0 引言

橋梁檢測在保障橋梁正常使用方面起到了至關重要的作用，荷載試驗則是檢驗橋梁結構承載力的最直接手段，可用試驗結果指導橋梁養護管理、維護加固等工作，以便于發現橋梁工程的質量缺陷，及時消除橋梁工程安全隱患。行業內針對荷載試驗工作制定了相應的技術標準與規范，各個橋梁檢測中都需根據自身情況，優化荷載試驗流程，科學制定試驗方案，規范開展現場測試及數據分析整理工作，以獲得準確的試驗結果。

1 橋梁檢測中荷載試驗簡介

荷載試驗應用于橋梁工程能評估橋梁的安全性能。具體的試驗過程中，需對待測橋梁施加特定荷載，在此基礎上測定、分析橋梁結構的各項力學性能指標。通過這一數值準確評估橋梁的運行情況，判斷橋梁是否有質量缺陷、安全隱患，并將試驗結果、評估結論作為橋梁交竣工驗收、加固改造等工作的依據。荷載試驗中一般要借助專業的儀器設備，例如精密水準儀、應力應變采集設備、動態參數采集設備、機電百分表等。荷載試驗依據加載類型，可分為靜載和動載兩種，荷載試驗對舊橋梁、改擴建橋梁、加固橋梁與新建橋梁等都十分適用。

開展橋梁荷載試驗的意義體現在以下3個方面：①從整體上評估橋梁施工質量，判斷橋梁結構承載能力能否滿足正常使用的要求，為橋梁結構能否投入使用提供重要依據。②判定在用橋梁的承載力，判定舊橋是否可繼續使用，通過荷載試驗來評估其承載力是否符合結構安全與穩定的標準。③驗證橋梁結構設計理論，利用荷載試驗可判定新材料、新工藝是否符合橋梁的結構要求。

2 荷載試驗在橋梁檢測中的應用方法

2.1 靜載試驗方法

2.1.1 測點的選定

靜載試驗是橋梁荷載試驗最基本測試方法。在開展這一試驗時，需保障所選擇的測量點符合要求，一般可將測點設于有代表性的橋跨、易于完成測試過程的截面、外觀有缺陷或者易發生病害的橋跨。通過布設測點，可評估結構局部受力情況以及整理受力情況。但考慮到每個橋梁結構的結構形式各有區別，試驗過程中應注意加載截面與內容。表1羅列了部分橋型主要測試工況及測試內容。針對不同橋型，需嚴格按照相關規范要求，科學設定測試工況，并選擇測試內容，準確獲取橋梁結構的力學性能指標。

2.1.2 荷載加載方式和注意事項

荷載試驗過程中，相關人員需注意試驗過程中不得損壞橋梁的整體性能。有關人員要計算設計荷載條件下橋梁控制截面的最不利內力值，得到相應的計算結果后，再依據前期所選定的加載方式計算控制截面的內力。可采用汽車加載或者水箱加載的方式。加載時，還需根據實際情況來調整加載位置、荷載大小，以確保試驗荷載計算值與最不利內力值的偏差最小[1]。

行業內關于靜載試驗提出了相應的操作規范與標準，其中明確指出了試驗荷載計算值與最不利內力值之比為靜力荷載加載效率，這一指標一般在0.85～1.05。試驗中需注意，試驗荷載加載計算方式有嚴格要求，控制截面影響線最為常用。計算時需保障加載過程中，在控制截面的試驗內力值達到規定加載效率的情況下，其他截面的試驗內力值不超過設計內力值。

2.1.3 靜載試驗的數據分析與評價

當按照相關規定完成了靜載試驗后，試驗人員需對試驗數據開展全面分析，以得到更為可靠的結論。

針對靜載試驗的數據分析與評價，校驗系數η為關鍵指標，指的是橋梁在任一檢測位置靜載實際測試數值與理論數值的比值。在檢測過程中，如果η＜1，意味著該橋梁處于較為正常的運行條件下，受力性能良好，該項指標基本滿足要求；當η＞1時，意味著該橋梁運行中的安全風險較大，繼續加載存在較大風險，易出現事故，應立即停止試驗加載，需及時開展原因分析，及時排除試驗方面的問題，若因結構本身的缺陷需及時加固或改造。

2.2 動載試驗

橋梁運行過程中振動是一個相對突出的問題，車輛荷載、風荷載等都會引起振動。為此各類橋梁的設計、施工與養護中需重視車輛振動、其他動力荷載的影響。對橋梁的振動問題，可利用動載試驗來獲得相應的數據。在橋梁中實施動載試驗時，要利用某種激振來引起橋梁的振動。在此過程中，檢測橋梁的固有頻率、阻尼比、動力沖擊系數、動力響應等參數，通過處理和分析這些數據，來準確評估橋梁的動力特性、動力響應以及其他使用性能能否處于正常狀態。動載試驗主要包含以下3種類型。

2.2.1 環境脈動激勵試驗

動載試驗中的環境脈動激勵試驗十分重要，這一試驗與橋梁周圍的激勵源類型、特性有著緊密的聯系。在很多橋梁工程中，其周邊的激勵源無法確定，設置個別橋梁周圍的激勵源較多。為正常開展環境脈動激勵試驗，具體操作時，應使環境脈動激勵輸入與隨機噪聲相接近，最終通過分析振動信號來得到相對可靠的結果。

2.2.2 強迫振動法

在利用強迫振動法開展動載試驗時，試驗人員需配備專門的激振裝置。在檢測過程中對橋梁施加一定的激振力，引起橋梁的振動，利用共振原理來分析橋梁的動力特點。當在橋梁檢測中利用這一方法時，檢測精度基本可達到要求。采用這一試驗方法，相關人員能從整體上把握橋梁的結構特性。但這一檢測方法下也存在一定的不足，就是有嚴格的試驗條件，為滿足試驗需求，需短暫中斷交通，且試驗耗時較長。

2.2.3 車輛沖擊試驗

車輛沖擊試驗在現階段的橋梁工程中應用非常多，但再進一步細分，又包含了跑車、跳車和制動試驗3種。如在檢測過程中采用的是跑車試驗，需使車輛以不同速度行駛過試驗橋梁，引起橋梁的振動。在此試驗中的動力響應最大頻率就是橋梁結構的固有頻率，通過這一試驗過程與結果也就能分析該橋梁的振幅、沖擊系數、阻尼比等參數[2]。試驗結果的準確性與許多因素都有關，為提高試驗結果可靠性，試驗人員需嚴格遵循試驗標準。

3 案例分析

3.1 工程概況

以某跨線橋工程為例，原設計車輛荷載等級為城-A級（CJJ-98），中心樁號K1+130.57，建成于2004年，全長53.09 m，橋面總寬22 m。橋梁上構采用2×16 m裝配式鋼筋混凝土簡支T梁，單片梁寬1.6 m，梁高1.3 m，橫向布置10片T梁，每片梁端各設一個板式橡膠支座；下構橋墩采用三柱式墩、橋臺為重力式U型橋臺。橋面鋪裝采用8 cm厚防水混凝土，兩橋臺處各設一道橡膠伸縮縫。根據管養單位提供的資料，曾在該橋橋面加鋪9 cm厚瀝青混凝土，并在2016年進行過一次維修加固。2016年的維修加固內容主要包括T梁和墩臺裂縫修補、橫隔板粘貼鋼板加固、更換0#臺伸縮縫等。依據竣工圖紙，橋梁主梁采用C30混凝土，橋墩蓋梁采用C25混凝土，其他采用C20混凝土。

有關部門安排專人對該橋梁實施了定期檢測，結合檢測數據可知，此橋梁在使用的過程中發生了各種病害，如多片T梁出現豎向裂縫，其中4片T梁底板位置有U型豎向裂縫，通過對典型裂縫進行鉆芯檢測，發生U型裂縫已貫穿T梁腹板厚度方向，裂縫已發展至梁體中性軸以上的部位，個別T梁端部側面分布有斜向裂縫，全橋技術狀況評定結果為D級，橋梁的承載力等無法明確能否滿足正常通行要求。為精準把握該橋梁工程的運行和使用情況，相關部門需對該橋梁實施荷載試驗。

3.2 靜載試驗

3.2.1 計算分析

在該橋梁檢測中，主要檢驗上部結構承載力能否滿足城-A級通行需求。檢測以下內容：最大正彎矩截面正載及偏載，測試主梁應力、撓度、裂縫等指標。計算各段主梁在不同加載條件下的內力值，試驗時荷載效率系數在0.96～1.02，滿足規范要求。

3.2.2 應變撓度測試

應變檢測是橋梁試驗檢測中的重點內容，檢測過程中要配備電阻應變片，并借助數據實時采集系統來采集和分析數據。撓度測試也是靜載試驗的主要控制指標，可采用光學測量設備或機電百分表進行測試。本橋梁的應力應變檢測中，檢測對象為第1、2跨的主梁混凝土結構，結合現場的結構特點與檢測要求，單個截面總共布設有20個測點。

本橋梁的撓度檢測中，檢測對象為第1、2跨的跨中截面，安裝機電百分表，橫向共布設了10個撓度測點。相關人員在規范化檢測下得到了結果，依據數值分析，發生應變及撓度實測值遠超出計算值，校驗系數在加載效率達到60%時已接近1.0，同時控制截面附近梁體裂縫有新增現象。通過對測試現場進一步分析，排除了理論計算及測試方面的問題，說明該橋梁的承載力偏低，在橋梁運行中的安全風險較大[3]。

3.2.3 綜合評定

依據檢測結果，在試驗過程溫度及風速均穩定的情況下，橋梁實際承載能力遠低于設計值，混凝土結構的強度及抗裂性能不能滿足要求，無法滿足城-A級荷載等級的通行條件。

3.3 動載試驗

3.3.1 測試方法

針對該橋的結構特點，由于無法提供激振措施，本次試驗以采集動力特性為主要測試目標，設置了脈動測試工況。采用有限元軟件對結構的動力特性進行分析，本橋一階頻率為5.634 Hz。根據建立模型計算的理論振型，對該橋進行測試截面及測點布置，根據規范要求及現場情況，選取該橋第一跨最大正彎矩截面作為測試截面，在靠近行車道外邊沿布設拾振器。

3.3.2 實測結果

通過對該橋實測脈動信號的頻譜分析得到結構自振頻率。自振特性實測結果匯總見表2。

3.3.3 綜合評定

通過脈動測試得到該橋實測頻率，一階實測頻率為5.250 Hz，其實測頻率與理論計算頻率比值為0.932，表明橋跨結構實際整體剛度小于理論剛度，與靜載試驗撓度測試結果相符。

3.4 荷載試驗

在本橋梁工程項目中，為精準評估該橋梁的承載力等各項指標，相關人員利用靜載試驗對橋梁施加了一定的靜力荷載。在該試驗下，測定了特定荷載作用下的結構響應，得到的試驗結果可用于評估本橋梁的承載力。試驗過程還包含了應力測試、位移測試與裂縫寬度監測，通過全面整合這些試驗結果，發現抽檢橋孔在試驗荷載條件下的彈性恢復能力較強，強度及剛度設計荷載要求，橋梁的通行能力不足。

3.5 檢測結論與建議

通過分析該橋梁的荷載試驗結果，結合橋梁技術狀況為D級，橋梁無法滿足通行需求，處于不合格狀態。

針對該橋梁所存在的問題，有關部門在實際的施工中需注意以下4個方面：①由于主要構件病害嚴重，上部結構承載能力不足，需更換橋梁上部結構板梁，以通過這一處理方式來提升橋梁的荷載等級，為通行車輛提供更為安全、舒適的通行條件。②對現有橋梁墩臺鋼筋銹脹部位實施除銹處理，并根據實際需求及時修復保護層。③鑒于橋梁墩柱和蓋梁部位存在混凝土的剝落現象，為避免混凝土剝落造成橋梁更為嚴重的質量或者安全問題，影響橋梁的使用，有關部門應組織專人將這些部位的表層混凝土鑿除干凈，隨后通過植筋、外包混凝土的方式來加固，以提升這些部位的結構性能。④當基本的修復、加固處理結束后，相關部門還需為該橋梁設定荷載限值，并加強日常巡查。

4 結束語

荷載試驗是橋梁檢測中最為常用的方式，當前的橋梁工程領域，采用常規檢測手段無明確橋梁承載能力情況下，荷載試驗仍是最直接有效的手段。相關部門在橋梁檢測中應立足橋梁本身，規范開展荷載試驗，通過荷載試驗結果的分析來評定橋梁結構安全性、使用性能，為日常養護與維修加固提供參考。

參考文獻

[1] 劉志軍，劉志勇.論述公路橋梁檢測中荷載試驗的應用[J].黑龍江交通科技，2020（4）：244-245.

[2] 菅志偉.公路橋梁荷載試驗檢測在橋梁養護中的作用探討[J].工程技術研究，2020，5（3）：83-84.

[3] 張國明.橋梁現場荷載試驗檢測技術[J].廣東建材，2020， 36（8）：32-34+4.