荷載試驗在橋梁檢測中的應用

摘 要：隨著橋梁數量龐大且不斷增長，橋梁檢測作為評估橋梁安全性的有效途徑備受關注。荷載試驗作為分析橋梁受力分布情況、安全狀態與承載能力的一種常用方式，可為橋梁安全運營以及后期養護順利開展提供指導?；诖?，介紹橋梁檢測以及荷載試驗類別、目的，著重分析橋梁荷載試驗的具體應用，旨在豐富橋梁檢測相關研究，為荷載試驗有效實施提供參考。

關鍵詞：荷載試驗；橋梁檢測；應用

中圖分類號：U448" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2024）06-0076-03

0 引言

隨著交通負荷逐漸增長，橋梁工程設計的荷載等級也面臨更高要求。通過橋梁檢測科學評估橋梁質量，進行可靠性指導實踐工作，可為橋梁使用期間的安全運行提供有力保障。荷載試驗便是運用科學方法分析橋梁承載力情況的檢測手段，在橋梁檢測中應用廣泛，對交通運輸安全的維護具有明顯的現實意義[1]。

1 橋梁檢測的意義

橋梁工程建設過程并非靜態不變，而是復雜多變的，甚至會出現一些難以預料的情況。橋梁建成后，投入使用20～30年就可能出現安全性與使用性能下降問題。運用科學檢測手段檢測評估橋梁的安全性、穩定性與使用耐久性，可以確保橋梁狀態在可控制范圍內，為橋梁安全運行提供可靠保障。近些年我國橋梁工程數量與規模急劇增加，橋梁功能更為多元化形式更加多樣化，橋梁質量也受到各界廣泛關注[2]。

我國橋梁檢測起步相對較晚，在20世紀80年代，對橋梁加固改造進行研究并取得一定成果。橋梁檢測涉及新建橋梁與在役橋梁，除了檢測承載能力以外，還要分析使用性能。經橋梁檢測可分析該橋梁服役階段是否處于安全狀態，能否滿足使用要求，如自然災害下橋梁可能受到一定破壞，通過橋梁檢測可為后續修復處理提供參考資料。橋梁檢測對整個橋梁生命周期均具有明顯的積極意義，如通過橋梁檢測可及時發現部分橋梁潛在的缺陷，確保橋梁結構滿足設計要求，或者確定橋梁承載力級別，獲得的檢測數據也可為后期工程竣工驗收、運營維護工作開展提供參考依據[3]。橋梁檢測形成的數據資料可豐富各類橋梁信息數據庫，為相關研究進行提供技術資料，通過橋梁構件的檢測對橋梁結構設計優化以及發展具有一定促進作用。

2 荷載試驗類別與目的

2.1 荷載試驗類別

一般情況下橋梁荷載涉及可變荷載（基本可變荷載、其他可變荷載）、永久荷載（上部結構與附屬設備重力、水浮力、土壓力以及墩臺重力等）以及偶然荷載（如地震荷載）等方面?？勺兒奢d是隨著時間推移而出現較大變化的荷載，人群、車輛甚至車輛沖擊力等都可歸屬于基本可變荷載，而流水壓力、汽車制動力以及風荷載均屬于其他荷載。如果結構處于使用極限狀態，此時永久荷載即為預應力。在承載能力極限狀態設計條件下，可將預應力視作結構抗力處理，這種荷載是不會隨橋梁使用時間變化而明顯變化的[4]。偶然出現對橋梁結構影響較大但時間短暫的荷載為偶然荷載。

橋梁荷載試驗可以看作是直接加載測試橋梁結構物的一種檢驗手段。荷載試驗根據內容劃分有靜載試驗與動載試驗之分。靜載試驗為橋梁基本荷載試驗，通常通過重力加載設備以靜壓方式對結構響應（如靜應變、靜位移等）進行檢測。動載試驗在實橋試驗中運用較多，是分析車輛通過橋梁分析結構動力響應情況。動荷載所致橋梁結構動力效應通常會較靜力效應更大。

2.2 荷載試驗目的

在工程實踐中，橋梁荷載試驗實施的任務與目的通常有所區別，但涉及的技術以及內容卻無太大差異。可通過荷載試驗評估橋梁結構實際承載能力，對其工作性能進行評價。橋梁工程設計施工往往會受到其他因素影響，通過橋梁荷載試驗可對橋梁建設質量進行檢驗。評估橋梁動載性能，可通過動載試驗檢測結構動力響應。檢驗橋梁結構設計，可借助荷載試驗對設計方法理論技術等合理性與可行性進行驗證，為類似橋梁設計以及施工提供參考資料，并積累橋梁健康監測數據，為工程建成后運營、管理以及養護提供數據支持[5]。

3 橋梁荷載試驗分析

3.1 工程概況

某橋梁為預應力混凝土連續橋梁，左幅長度達到340 m，橋梁設計安全等級為一級，主干道雙向8車道，標準寬度達到50 m，地震動峰值加速度、抗震設防烈度與等級分別為0.05 g、6度、7級，荷載等級、計算行車速度按照公路Ⅰ級、40 km/h。

3.2 靜載試驗

靜載試驗主要是為了對結構控制斷面應力與撓度變化情況進行測試，從而評估結構的強度以及剛度，明確橋梁的承載力，為橋梁結構施工質量評估提供參考。

3.2.1 靜載試驗原則

在橋梁靜載試驗時，為了實現設計考量的最不利的荷載作用，選取的試驗斷面應具備足夠的代表性，從而確保能夠獲得更為可靠的試驗結果。對靜載試驗部分，結合實際需要選擇最大正負彎矩方面，根據結構設計內力（采用有限元分析軟件計算）選擇相應的試驗斷面-墩頂附近位置以及部分跨的跨中位置。至于結構單元類型則選擇梁。

現場則按照分級加載進行，包括兩次卸載與加載，荷載效率系數依次為0.8、1.0。對加載荷載作用后的結構響應給予密切關注，參考理論計算機做對比分析，如果理論值與測試值二者偏差較大則將加載停止，分析明確引發原因后再繼續。按照預載→卸載→加載（系數0.8）→加載（系數1.0）→卸載→加載（系數1.0）→卸載進行加載控制。為了避免無關干擾，所有試驗相關加載車輛均統一安排調度，待加載與加載完畢的車輛停放在指定位置，盡可能遠離試驗橋跨。

3.2.2 現場試驗加載

本次靜載試驗加載位置在滿足加載要求前提下，以最少的加載車輛實現最大加載效率，盡可能簡化工況，提高試驗效率。本研究中按照橋梁設計設在最不利荷載的控制內力、車輛相關技術參數綜合計算分析，確定試驗所需車輛載重以及數量情況。

為了確保加載順利進行，均選擇駕駛人員技術嫻熟且車況處于良好狀態的車輛進行加載試驗。本研究中試驗用車數量為8輛，前軸載荷分別為78 kN、101 kN、99 kN、98 kN、77 kN、67 kN、77 kN以及75 kN，后軸載荷依次為343 kN、285 kN、291 kN、303 kN、302 kN、330 kN、314 kN以及321 kN，按照實際記載重量與量測所得輪位分析計算荷載效率與理論效應。所用儀器包括靜態應變儀與水準儀。

斷面按照計算結果進行選擇，加載輪布置是基于理論計算所得影響線實施，按照公路-Ⅰ級荷載得出控制彎矩，用車數量與相應輪位則基于等效荷載予以明確。本研究中橋梁靜載試驗涉及左右幅兩部分，根據左幅試驗邊跨最大正彎矩（A-100%）、次中跨最大正彎矩（C-100%）、邊墩最大負彎矩（B-100%）、主墩最大負彎矩（D-100%）、主跨最大正彎矩（E-100%）設計值與試驗值，明確左幅靜載試驗效率值在0.97～1.04。右幅部分包括邊跨最大正彎矩（A-100%）、主跨最大正彎矩（C-100%）與邊墩最大負彎矩（B-100%），基于設計值與試驗值，明確加載效率值為0.96～1.0，綜合分析，本研究荷載效率系數介于0.96～1.04，未超過規范要求的0.95～1.05。

3.2.3 靜載試驗結果分析

3.2.3.1 靜載撓度

本項目撓度測點達到10個，左幅與右幅分別占到6個與4個撓度測點，并且一個控制界面下包括綠化帶根部、箱梁內側處兩個測點。左幅撓度測試結果為：工況A-100%、C-100%、E-100%共6個測點實測值介于1.80～9.80 mm，理論值介于2.60～11.40 mm，卸載后讀數介于0.10～0.30 mm，撓度校驗系數介于0.68～0.84，相對殘余變形介于2.08%～11.11%；右幅工況A-100%、C-100%4個測點實測值介于5.20～ 10.50 mm，理論值介于6.5～12.10 mm，卸載后讀數0.10～0.40 mm，撓度校驗系數0.80～0.87，相對殘余變形為1.90%～3.92%。

可以看出兩幅撓度校驗系數處于0.68～0.87，均不超過1，表明測試橋梁結構剛度是滿足設計要求的。相對殘余變形規定限值為20%，本研究靜載試驗左右幅殘相對殘余變形介于1.90%～11.11%，均小于20%，表明靜載試驗荷載作用下橋梁結構為彈性工作狀態，滿足要求。

3.2.3.2 應變測試

左幅工況A-E控制斷面每隔兩個測試位置，實測值在-1～1.10 MPa，理論值-1.31～1.52 MPa，卸載后讀數-0.13～0.11 MPa，應變校驗系數0.59～0.85，相對殘余變形3.64%～17.14%。右幅方面A～C共6個測試位置，實測值-0.62～0.74 MPa，理論值-0.62～0.90 MPa，卸載后讀數-0.02～0.04 MPa，應變校驗系數與相對殘余變形分別為0.68～0.82、1.61%～5.41%。

同規定值相較，撓度校驗系數數值可以看出被測試結構滿足要求，與靜載撓度測試一致試驗荷載作用下同樣為彈性工作狀態。再次支座沉降方面，經支座沉降測試，當墩頂最大負彎矩時，其支座沉降量是比較小的，如左右兩幅空載時兩個測點均為0.00，滿載時在0.04～0.06。

3.3 動載試驗

動載實驗目的主要是為了評價橋梁的動力性能。動載試驗測試項目是基于受測試橋梁結構與受力來確定的，如自振動試驗主要是測定主梁自振頻率并明確阻尼比，強迫振動試驗包括無障礙行車試驗（無障礙條件下兩輛載重汽車以不同速度通過橋跨結構的動力反應情況）、制動試驗（兩輛車按照不同速度于測試斷面緊急制動瞬間的沖擊效應）以及跳車試驗（設置三角障礙物，車輛以不同速度強行通過的斷面動應變沖量）等內容。儀器包括動態信號分析儀/采集儀、信號放大器與加速度傳感器等。

3.3.1 自振特性測試結果

經脈動試驗得出橋梁左右幅計算頻率均為1.52 Hz，實測頻率分別為2.22 Hz、2.08 Hz，阻尼比分別為1.38%、1.32%，可以看出一節振動頻率較理論計算值更大，為小阻尼振動，即橋梁整體剛度與相關要求相符合的。

3.3.2 強迫振動試驗結果

根據動力時程曲線獲得左幅5～40 km/h動載沖擊系數依次為1.00、1.03、1.06、1.08、1.05，右幅則分別為1.00、1.04、1.03、1.06、1.04。

車速為20 km/h、30 km/h情況下左幅跳車沖擊系數測試數值分別為1.05、1.06，右幅分別為1.03、1.04。

車速1為20 km/h、30 km/h情況下制動沖擊系數測試左幅數值分別為1.04、1.07，右幅兩次數值為1.05、1.06。

3.3.3 結果分析

隨著時間的推移，橋梁結構受動力荷載作用會出現變化，并且其動力響應往往比較復雜，測試涉及的參數并非單一，加之阻尼值等因素的影響，結構動力特性可能會受到干擾，對此需要合理明確動力效應的沖擊系數值，本研究根據相關設計規范計算沖擊系數。行車沖擊系數（計算基于實測應變曲線）左幅介于1.00～1.08，右幅介于1.00～1.06，即左右幅處于1.00～1.08，跳車試驗沖擊系數（結合動撓度時程曲線與動應變實測曲線進行計算）在1.04～1.07，制動沖擊系數（結合實測動應變與動撓度的時程曲線進行計算）則在1.03～1.06，上述數值均較規范要求值（1.23）小。

3.4 結論分析

靜載試驗所得撓度測點撓度校驗系數均在1以內，而左右幅相對殘余變形最大值依次為17.14%、5.41%，均未超過規范限值。從分析結果可以看出，靜載試驗驗證了測試控制斷面剛度以及強度完全符合相關規范以及設計要求，與Ⅰ級公路使用要求相符合。動載試驗測得自振頻率、阻尼系數在要求范圍內，而強迫振動試驗涉及的無障礙行車、跳車試驗以及制動試驗所得沖擊系數均較規范要求數值小，符合設計標準，可以判定該橋梁結構具有較好的抗沖擊能力。

4 結束語

橋梁在長期使用過程中會受到多種因素影響而出現使用性能下降情況，對此需要通過橋梁檢測評估其性能與狀態。其中靜載試驗是一種比較成熟且應用普遍的橋梁檢測手段，可為橋梁結構承載能力與使用性能的評定提供精確依據。本研究結合工程實例從靜載試驗與動載試驗兩個方面分析總結橋梁荷載試驗的具體應用，結果得出相關參數數值均滿足規范要求，表明了受測橋梁結構剛度、動力性能等均符合標準，證實了荷載試驗在評定橋梁質量與安全性方面的應用價值。

參考文獻

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