動靜荷載試驗用于橋梁檢測的優勢分析

黃劍淇

（閩南理工學院，福建 泉州 362700）

0 引言

動靜荷載試驗作為一種重要的橋梁檢測方法，在評估橋梁承載能力和安全性方面發揮著關鍵作用。隨著橋梁建設規模的不斷擴大和使用年限的增長，保障橋梁的結構安全和可持續發展變得愈發重要。動靜荷載試驗可通過施加不同類型和大小的負荷，模擬出橋梁在實際使用狀態下所受到的力學效應。本文重點介紹動態荷載試驗和靜載試驗用于橋梁檢測的具體應用，前者用于評估橋梁的振動特性和穩定性，后者則用于評估承載能力和變形特性[1]。本研究旨在確保橋梁的安全運行和可持續發展，為社會交通建設做出貢獻，為橋梁檢測領域的工程師和研究人員提供有價值的參考。

1 動靜荷載試驗原理

動靜荷載試驗是基于荷載-響應關系的方法，通過施加不同類型和大小的荷載，觀察橋梁結構的響應變化，從而得出結構的力學特性和安全性能[2]。動靜荷載試驗包括動態荷載試驗和靜載試驗兩部分。

1.1 動態荷載試驗原理

振動原理是動態載荷測試的核心。它涉及在橋梁結構上引起受控振動并分析其對這些振動的響應。通過使橋梁承受動力，例如車輛負載或陣風，可以實時觀察結構的反應。這一原理依賴于這樣一個事實，即每個結構都有其獨特的振動特性。通過測量固有頻率、阻尼比和振型等參數，可以推斷出有關橋梁剛度、阻尼能力和整體健康狀況的關鍵信息。

頻率分析通過檢查橋梁在不同頻率范圍內的響應，在動態負載測試中起著關鍵作用。這涉及以不同的頻率激勵結構并分析由此產生的振動。通過應用傅里葉分析或其他信號處理技術，可以將復雜的振動信號分解為其組成頻率，從而能夠識別可能影響橋梁動態行為的共振現象、模態特性和潛在的結構異常。頻率分析為評估橋梁的動態特性提供了有價值的數據，例如固有頻率、振型和諧振頻率，這對于了解其對不同載荷條件的動態響應至關重要。

振動響應模型是橋梁在負載下的動態行為的數學表示。它通常涉及根據結構動力學原理制定運動方程，并應用數值方法或分析技術來模擬橋梁的響應。通過開發精確的振動響應模型，可以預測橋梁在各種動態荷載場景下的行為，從而評估其結構性能并識別潛在問題。這些模型是結構分析、設計優化和性能評估的寶貴工具，使工程師能夠就橋梁維護、修復或改造策略做出明智的決策。

1.2 靜載試驗原理

靜載試驗的原理是評估橋梁在靜荷載條件下的結構承載力和穩定性的基礎。與專注于動態行為的動態負載測試不同，靜態負載測試評估橋梁如何響應穩定負載，例如車輛或行人的重量，而不會引起動態效應。

靜態平衡原理是靜態負載測試的基礎。它涉及對橋梁施加已知的靜載荷并測量其響應以確保平衡。根據這一原理，作用在靜態平衡結構上的力之和必須為零。因此，應仔細控制和監測施加的載荷，以保持平衡并防止橋梁發生任何意外移動或變形。通過測量靜荷載引起的撓度和應變，可以評估橋梁的剛度、承載能力和整體結構完整性。

變形分析是靜載荷測試的一個關鍵方面，重點是測量施加載荷引起的結構變形。通過使用各種儀器技術，如應變片、位移傳感器和傾斜儀，來監測橋梁對靜載荷的響應。通過分析記錄的變形數據，可以識別任何可能表明結構缺陷或過度應力的過度撓度、旋轉或沉降。變形分析可為評估橋梁在靜態荷載條件下其結構性能和安全性提供參考。

穩定性分析是靜態載荷測試的另一個重要組成部分，側重于評估橋梁在施加載荷下的整體穩定性。通過評估橋梁的抗傾覆、滑動和坍塌等因素，以確保其穩定性和安全性。通過分析橋梁結構內力、力矩和反作用力的分布，可以識別潛在的穩定性問題并采取糾正措施來降低風險。穩定性分析考慮了各種因素，包括橋梁的幾何形狀、材料特性、基礎條件和環境荷載，以評估其在不同荷載下的穩定性。

2 動靜荷載試驗及分析評估

2.1 前期準備階段

進行橋梁動靜荷載試驗需要進行一系列的準備工作以確保試驗的順利進行。主要包括獲取橋梁結構參數和確定試驗方案，以及安裝和校準試驗裝置。

（1）在實地調查和資料收集過程中，需要獲取橋梁的幾何尺寸、材料性質和設計參數等基本信息。通過現場測量，可以確定橋梁的長度、寬度、高度等幾何尺寸，并獲取相關的設計圖紙、技術文件和施工記錄等資料。此外，還需要了解橋梁所處的環境條件，如地質情況、交通狀況等，以便評估試驗可能遇到的影響因素。

（2）根據橋梁的結構參數和試驗目的，制定試驗方案。試驗方案應明確試驗的荷載類型、大小和加載方式，以及監測參數和監測點的設置。這些都需要根據橋梁的特點和試驗要求進行合理選擇，以保證試驗結果的準確性和可靠性。

（3）根據試驗方案，安裝相應的荷載裝置和監測儀器。荷載裝置可以根據試驗要求選擇合適的設備，如靜力加載設備、振動臺等。在安裝過程中，需要確保荷載裝置的穩定性和安全性，并按照試驗方案要求進行校準和調整。同時，安裝監測儀器也是非常重要的一步。應變計用于測量橋梁的應變情況，位移傳感器用于測量結構的變形，加速度計用于測量結構的加速度等。這些監測儀器需要在適當的位置安裝，并校準以確保測量數據的準確性和可靠性。

2.2 動態荷載試驗階段

（1）在動態荷載試驗階段，按照設計方案選擇合適的振動臺來產生不同頻率和振幅的振動荷載。振動臺可以通過電機或液壓系統控制，根據試驗要求調整振動頻率和振幅。

（2）施加振動荷載后，需要觀測橋梁結構的振動響應。為此，使用合適的監測儀器（如加速度計、位移傳感器等）來測量和記錄橋梁的振動數據。加速度計可用于測量橋梁在不同位置的加速度變化，位移傳感器可用于測量結構的位移變化。這些監測儀器能夠捕捉到橋梁在動態荷載下的振動特性和響應情況。同時，在試驗過程中需要對振動數據進行實時記錄和監測。這樣可以獲得關于振動幅值、振動頻率、相位差等參數的數據。這些數據將為后續的數據處理和分析提供參考。

（3）完成數據采集后，需要對獲得的振動數據進行處理和分析。常見的處理方法包括傅里葉變換、相關分析等。傅里葉變換可將時間域上的振動信號轉化為頻域上的頻譜，通過觀察頻譜來了解橋梁的頻率特性。相關分析可用于研究振動信號之間的關系和相互作用。

（4）根據數據處理和分析的結果得出結論。這些結論包括橋梁的固有頻率、共振情況以及結構的響應行為等。這些結論可以為橋梁設計、改進和維護提供重要的參考和依據。

2.3 靜載試驗階段

靜載試驗是一種用于評估橋梁結構的承載能力和變形特性的方法。在試驗階段，根據設計方案確定適當大小的靜態荷載，并施加到橋梁結構上。

（1）根據試驗要求選擇合適的靜態荷載大小。荷載可以通過靜力加載設備、液壓系統或其他適當的方式施加。根據橋梁的尺寸和設計參數，確定靜態荷載的大小并保持穩定，以確保試驗的可行性和準確性。

（2）在試驗過程中，安裝相應的監測儀器來測量和記錄橋梁的變形和應力情況。位移傳感器可用于測量橋梁的位移變化，應變計可用于測量結構中的應變變化，應力計可用于測量橋梁的應力情況等。這些監測儀器需要正確安裝，并進行校準，以確保數據的準確性和可靠性。

（3）按照設計方案施加靜態荷載，并記錄橋梁結構在加載過程中的變形和應力情況。通常會在不同的加載階段進行數據記錄和監測，以獲取全面的變形和應力數據。

（4）通過對測得的變形和應力數據進行處理和分析，可以得到橋梁結構的剛度、變形特性和承載能力等參數。這些參數反映了橋梁在靜態荷載下的響應情況，是評估橋梁安全性能的重要依據。根據試驗數據的分析和評估結果，可以判斷橋梁結構的安全性能是否滿足設計要求，并提出相應的改進建議。如果發現結構存在超載、變形異常或應力過大等問題，需要及時采取修復和加固措施，以確保橋梁的安全使用。

2.4 數據分析與評估

在橋梁動靜荷載試驗完成后，對所獲得的數據進行處理和分析是非常重要的一步。通過數據分析與評估，可以深入了解橋梁結構的力學特性和安全性能，并為橋梁的設計、施工和維護提供科學依據。

（1）對試驗過程中記錄的數據進行整理和清理。包括檢查數據的準確性和完整性，并排除任何異常值或錯誤采樣，確保所使用的數據是可靠的和符合要求的。

（2）使用數學和統計方法對數據進行分析。常見的分析方法包括描述性統計分析、頻率分析、回歸分析等。通過這些方法，可以得到關于橋梁的力學參數、變形特性、應力分布等方面的有用信息。在數據分析的過程中，還可以借助數值模擬方法和結構分析軟件對數據進行進一步驗證和優化。數值模擬方法可以通過建立數學模型和采用適當的邊界條件來模擬橋梁在不同荷載情況下的響應行為。結構分析軟件則可以幫助進行更精確和復雜的結構分析，以評估橋梁的安全性能。通過數據分析和數值模擬，可以得到橋梁結構的力學特性，如剛度、強度、位移和應力等。這些結果對于評估橋梁的安全性能非常重要。例如，可以通過比較實測數據和模擬結果來驗證模型的準確性，進一步優化設計方案，提高橋梁的安全性和可靠性。

（3）根據數據分析與評估的結果，可以對橋梁的設計、施工和維護提出相應的改進建議。根據評估結果，可以確定橋梁是否滿足設計要求，并采取必要的措施來解決任何發現的問題，從而確保橋梁在使用過程中的安全性和可持續性。

3 動靜荷載試驗在橋梁檢測中的優勢

橋梁檢測是確保橋梁結構安全可靠的重要手段之一。動靜荷載試驗作為橋梁檢測方法之一，在評估橋梁結構性能和預測橋梁行為方面具有諸多優勢。

3.1 真實模擬

動靜荷載試驗可以模擬真實的交通荷載情況，包括車輛行駛時引起的動態荷載以及靜止車輛引起的靜態荷載。通過施加不同大小和頻率的荷載，可以更加真實地模擬橋梁在實際使用過程中所受到的荷載條件，從而更精確地評估橋梁的承載能力和變形特性。

3.2 全面評估

動靜荷載試驗可以全面評估橋梁結構的性能。靜載試驗可以評估橋梁在靜態荷載下的剛度、變形和應力等特性，而動載試驗則可以評估橋梁在動態荷載下的振動響應和疲勞壽命。通過結合動態和靜態荷載試驗，可以得到橋梁結構在不同荷載條件下的全面性能評估結果，為橋梁的設計和維護提供重要依據。

3.3 效果明顯

動靜荷載試驗可以直觀地觀測到橋梁結構的變形和響應情況。通過合適的監測儀器記錄橋梁的振動響應、位移和應力等數據，并進行數據處理和分析，可以得到更準確的結果。與傳統的靜態測試方法相比，動靜荷載試驗能夠提供更直觀、更客觀的檢測效果，有助于揭示橋梁結構的實際狀況和強度等參數。

3.4 診斷隱患

動靜荷載試驗還可以幫助診斷橋梁結構的隱患和缺陷。通過觀察和分析橋梁在荷載作用下的響應情況，可以發現潛在的問題，如裂縫、變形異常、疲勞損傷等。這有助于及時采取修復措施，避免事故的發生，并延長橋梁的使用壽命。

3.5 數據可靠性

動靜荷載試驗所獲得的數據具有較高的可靠性。試驗時使用的監測儀器經過校準和質量控制，可以提供準確和可信賴的數據。通過進行大量的試驗和實驗室測試，可以驗證試驗結果的可重復性和準確性，從而增加數據的可靠性。

4 橋梁檢測中動靜荷載試驗的注意事項

（1）儀器校準與質量控制：為了保證試驗數據的準確性，需要對使用的監測儀器進行校準和質量控制，包括位移傳感器、應變計、加速度計等。校準過程應按照相關規范和標準進行，并記錄校準結果。

（2）試驗方案執行：在執行動靜荷載試驗時，需要嚴格按照事先制定的試驗方案進行操作。確保試驗荷載施加的順序和方式正確，遵循安全操作規程，對試驗參數進行準確調整，并及時記錄試驗過程中的數據和觀察結果。

（3）安全措施：動靜荷載試驗涉及到大型結構和高荷載，因此安全是非常重要的。在進行試驗時，必須采取適當的安全措施，包括穿戴個人防護裝備、設置警示標識和屏障、嚴格控制人員活動范圍等。對于需要爬升或進入高風險區域的操作，應該配備專業人員，并使用合適的安全設備和工具。

5 結束語

動靜荷載試驗作為橋梁檢測與評估的重要手段，能夠準確評估橋梁結構的力學特性和安全性能。通過動靜荷載試驗可以獲取到橋梁的剛度、穩定性、承載能力和變形特性等重要參數，為后續的結構分析、評估與改造設計提供科學依據。然而，在進行動靜荷載試驗時，需要注意選擇合適的試驗方案、測試裝置和監測儀器，并確保數據的準確性和可靠性。同時，針對不同類型和規模的橋梁，應制定相應的試驗計劃和數據分析方法，以獲得更加準確和實用的結果。