公路橋梁養護中的荷載試驗檢測應用

摘 要：公路橋梁作為基礎設施的重要組成部分，其運行狀態對居民生活質量及經濟社會發展具有顯著影響，實施定期的橋梁養護工作，能夠在正常養護公路橋梁的基礎上延長其使用壽命。以某跨河大橋為例，從動載試驗和靜載試驗兩方面，對展開荷載試驗的詳細技術進行了探討，希望能夠給相關從業人員帶來啟發。

關鍵詞：公路橋梁；養護；荷載試驗

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）07-0085-03

0 引言

載荷試驗是用來評估橋梁結構的性能和功能的一種方法，在檢測時會對橋梁施加縱向壓縮力和拉伸力，監測隨時間而變化的結構位移和沉降情況，在分析試驗所得出的數據后，可以對橋梁的穩定性和承載能力做出評估，并據此評價整個橋梁工程的運行狀況。

為了擬定合理的橋梁維護和修復方案，需要及時識別并修正橋梁工程中的質量問題，以此來提升橋梁的保養效果。荷載試驗檢測通常包括靜態和動態兩種類型，靜態荷載試驗主要用于測量橋梁承受的靜態力大小，動態荷載試驗用于評估橋梁在動態力作用下的承載能力，通過分析荷載試驗的結果及其相關數據，能有效了解橋梁的結構狀態，進而準確評估橋梁的運行狀況。

1 公路橋梁養護中荷載試驗檢測概念

1.1 動載試驗

該試驗通過在橋梁上施加動態荷載，如模擬車輛過橋等，來評估橋梁的動態特性和承載能力，其試驗核心在于捕捉橋梁在動態荷載作用下的振動特性，如頻率、振幅和阻尼比等，通過這些數據來分析橋梁的疲勞性能和動態穩定性，動載試驗還能揭示橋梁在反復荷載作用下的耐久性和剩余壽命，為制定精確的維護和加固策略提供科學依據。

橋梁的動載響應分析也有助于優化橋梁設計，提升其適應復雜交通環境的能力。在對橋梁進行橫向和縱向的彎曲及扭曲變形進行檢測時，要在每一跨度設置不少于兩個測量點，準確獲得最大的變形數據，并記錄下橋梁支撐點的沉降情況。在測量橋梁控制面應力時，應確保至少有4個測點分布在橋梁的整個橫截面上，準確計算出應力的最大值以及偏載情況。

在檢測具有獨特結構設計的橋梁時，除了常規的測點之外，還應特別關注橋梁的支點和主要拉力的測試，橋梁支座的沉降情況、伸縮特性以及轉動角度都需進行細致的監測[1]。在裂縫發現的初期，必須詳盡記錄裂縫的具體位置、走向、長度和寬度。如果發現橋梁結構發生變形或裂縫持續擴大，則應立刻中止工作，并迅速撤離現場人員及設備，設計上較為特殊的橋梁，例如斜拉橋和懸索橋，還需額外監測索力的變化和塔的位移情況。

1.2 靜載試驗

該試驗通過將預定的荷載施加在橋梁結構上，模擬橋梁在不受動態荷載影響時的承載能力和穩定性。在操作過程中，要注意荷載的均勻分布和逐漸增加的施加方式，以避免對橋梁結構造成突然的沖擊或過度應力。

試驗期間需要密切監控橋梁的應力響應、位移和變形情況，以確保橋梁結構不會受到不可逆的損傷。在靜載試驗中，荷載的施加和測量應精確控制，任何誤差都可能導致不準確的評估結果。梁體、支座和接縫等橋梁的各個關鍵部位，都需要仔細檢查，確保它們在承受荷載時的表現與設計預期一致。橋梁的材料特性、年齡和歷史維護記錄也是影響試驗結果的重要因素，這些因素在分析數據時需要充分考慮[2]。

靜載試驗通常適用于那些主要承受靜態荷載的橋梁，如人行橋、低流量的道路橋或老舊橋梁。對于這些橋梁而言，靜載試驗能夠有效評估其當前的承載能力和結構完整性，從而為后續的維護或加固工作提供依據，對于承受重大交通流量或頻繁動態荷載的橋梁，靜載試驗無法全面反映橋梁的實際運行狀況，因此在這些情況下，靜載試驗應與其他類型的荷載試驗相結合。

2 案例分析

2.1 工程概況

某跨河橋梁是一座橫跨規劃中的五級航道的大型橋梁，整體橋長312 m，該橋的主體結構設計為變截面的現澆預應力混凝土連續梁橋，而其引橋部分則由20 m長的先張法空心板梁組成，整個橋面設計為連續式。主橋部分由三個跨度組成，分別是40 m、65 m和40 m，采用預應力混凝土變截面單箱雙室直腹板連續箱梁的設計方案。橋梁的單幅寬度為19 m。在橋梁的結構設計上，箱梁的高度從跨中的2.1 m逐漸變化，按照二次拋物線的形式增加，至距中墩中心1.75 m處達到3.9 m的最大高度。在主橋的箱梁構造中，位于墩頂的中橫梁厚度達到2 m，而在每個跨度的兩端則分別設置了1.5 m厚的端橫梁。主跨的中心部位特設了一道0.4 m厚的橫梁。

為了保證結構平衡與穩固，箱梁的底板設計為橫向水平，同時通過改變腹板高度來實現單側2%的橫向坡度，主橋的箱梁還特別采用了三維預應力系統，在提升橋梁整體承載力的同時，也增強了其穩定性[3]。

2.2 荷載試驗檢測依據

荷載試驗檢測作為公路橋梁評估的核心環節，其執行依據一系列權威的工程技術標準和規范。《公路工程技術標準》（JTG B01—2003）為此類試驗提供了基本的技術框架和方法論，《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）細化了橋梁設計的一般要求，對試驗檢測的具體內容和標準進行了規定，從《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62—2004）針對鋼筋混凝土和預應力混凝土橋梁的特殊性，為這類橋梁的荷載試驗提供了專門的指導。

在質量檢驗與評定方面，《公路工程質量檢驗評定標準》（土建工程）（JTG F80/1—2004）為橋梁工程提供了全面的質量評定標準，《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（交通部公路科學研究所1982/10北京）提供了對此類橋梁進行精確評估的技術支持，《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（送審稿）（交通部公路科學研究所2003年4月）則是橋梁承載能力檢測的最新研究成果，它為橋梁承載能力的評估提供了詳細的步驟和標準。

2.3 現場調查情況

橋梁的現狀調查和檢測主要分為兩個方面：一是對橋梁跨結構的橋面線形進行調查，二是對結構表面的主要缺陷和問題進行檢測。為了獲取橋面線形的數據，通常會測量主梁兩側的控制點高程。

這一測量工作主要依賴于橋梁建設時建立的高程控制網絡，選擇最適宜的觀測時間，利用電子水準儀進行直接測量。若原有的高程控制點遭到破壞，可以新設立參考高程控制點，并通過全橋相對高程的測量來準確獲取橋面的線形情況。在進行橋梁試驗前后，要詳細進行外觀檢查，仔細觀察箱梁的外表和內部，注意是否存在蜂窩狀、麻點狀的表面、空洞、破損或者鋼筋外露等情況，需要檢查箱梁外部結構的關鍵部位，特別是要注意是否出現了結構性的裂縫，如果發現裂縫，必須精確測量其寬度和長度，評估其對結構安全性的影響。

3 荷載試驗檢測應用方式

3.1 靜載試驗

3.1.1 測試項目

為了滿足該橋的主要試驗目的，對大樁號方向右側的橋梁進行了一系列靜載試驗，在4#墩與5#墩之間的邊跨跨中截面，進行了最大正彎矩效應和最大豎向撓度效應的測量，分別在對稱和偏載兩種加載工況下進行了測試。在5#墩與6#墩之間的主跨跨中截面，同樣進行了最大正彎矩效應和豎向撓度效應的測量，分別在對稱和偏載兩種加載工況下進行了測試，在5#主墩附近的箱梁截面，也進行了特殊的試驗，測量了最大負彎矩效應，同樣采用了對稱加載工況。在橋梁的7#墩支座附近，進行了剪切力效應的檢測，同樣采用了均勻的負荷情況。這些實驗的主要目標在于全方位評估橋梁的性能和可靠性，讓橋梁能夠在各種情況下，都能夠牢固地承受荷載，保障道路交通的流暢和安全[4]。

3.1.2 確定測試截面

使用專門用于橋梁結構評估的Midas/Civil軟件，對這座橋的結構進行了計算和檢測，這座橋被規劃成為單一橫向通道，擁有4個車道。在計算過程中，使用了一級道路負荷，將其均勻分散到4個行車道上，并遵循規則應用了0.67的橫向縮小系數。通過對主橋在實際負荷情況下的內力分析圖進行研究，可以明確確定各個檢測控制剖面的位移，并最終根據圖表的數據，確認了各個控制剖面的確切位置。

3.1.3 布置測點

為了評估箱梁各截面的混凝土表面壓力，采用了在戶外環境下適用、具備高度穩定性和準確性的振動弦應變儀進行測定，分析主要測試控制截面的壓力分布特征和受力性能。腹板的變形測點位于上翼緣和底板，每隔5 cm布置一個點，這些測點均勻分布在腹板的高度內。為了測量主梁的垂直撓度，在箱梁底部放置了一些棱鏡，然后使用Leica 2003型全站儀進行三角高程測量。

3.1.4 加載工況及試驗荷載布置方式

在靜態負荷測試過程中，采用了30 t的車輛來模擬等效負荷，根據不同的工況，使用了多種試驗負荷分布方案，這些工況和分布方案的選定都依據了橋梁構造的特性和荷載效應的具體需求。

工況1是橋梁中跨最大正曲率情況，精確地分配了試驗負荷，最大正應力和最大撓度位置得到全面覆蓋，在水平方向上，負荷分布保持對稱。工況2代表著橋梁中跨最大正曲率情況的右側，縱向負荷分布仍然考慮了最大正應力和最大撓度位置，但水平方向上負荷有向右的傾向。工況3對應橋梁中跨最大正曲率情況的左側，縱向負荷分布仍然與情境1相同，但水平方向上負荷有向左的趨勢。工況4用于觀察整座橋梁的異常變形。在這一情況下，車隊會緩慢穿過整座橋梁，負荷按照最不利的正曲率位置布置，觀察混凝土是否出現開裂現象以及橋梁結構是否發生異常變形。這些情境和負荷分布方案的選擇，能全面了解橋梁結構在各種荷載情況下的響應和性能表現。

3.1.5 試驗的注意事項

在開始正式進行荷載試驗之前，需根據應變和位移測點的布置計劃并放樣，就應變點的位置而言，須執行打磨和平整的步驟，接著黏附電阻應變片并進行焊接導線。位移測點要裝置機電百分表，并將其與應變平衡箱連接起來。

基于車輛計算和分配質量的分析結果，在不同工況下明確車輛加載位置并標出線條，開展在線聯機調試，選用一輛汽車進行預先加荷，驗證各測點上電阻應變片、機電百分表和應變平衡箱的穩固性。在靜態負荷測試期間，每個操作情況都應該在兩個不同的時段逐漸施加。

在評估過程中，為了減少混凝土的流變性對測定結果的影響，每次負載完畢后都應停止汽車的引擎，然后等待至少5 min，以確保結構的形變完全趨于穩定之后再開始數據收集。隨著時間推移，應對測得的極限彎曲度和變形值進行與理論估算結果的比對。倘若在測試過程中出現異狀數據，即刻解除負載車輛，以防突發意外事件的發生。

卸載后必須確保在至下一次施加荷載之間至少有10 min的時間間隔。同一工作狀態的檢驗必須按照上述加載和卸載的程序一再進行，直至兩次測試的相對誤差不超過5%，方能完成該工作狀態的檢驗，然后繼續進行下一個工況的檢驗[5]。

3.2 動載試驗

3.2.1 車輛激勵試驗

根據實驗流程來看，通常在結構受到活載作用時，選擇測試截面位于應變最大的地方。鑒于本橋結構受彎矩影響的包絡圖特性，車輛激勵試驗的觀測截面應設置在5#墩與6#墩之間的主跨區域。

3.2.2 試驗工況

試驗分為兩個不同的工況：在第一個工況下，測試車輛以30 km/h的速度穿越測試的連接/孔洞，而在第二個工況下，測試車輛以40 km/h的速度通過測試的連接/孔洞。

3.2.3 脈動試驗

當橋面未承受任何交通負載且附近橋址未受到規律振動源干擾時，采用高度靈敏的動態測試系統，來記錄橋址處因風荷載、地下脈動、水流等隨機載荷引發的微小橋梁跨度結構振動反應，獲取了結構的自振頻率、振動模式和阻尼比等動力學特性數據。

3.2.4 試驗處理方法

自振特性測試采用脈動法進行，借助于由國家地震局工程力學研究所制造的891-IV型速度感應器用于振動拾取，同時匹配DLF-8型多合一放大器作為擴大設備，信號收集器則選用東方所INV306DF型智能信號捕捉處理分析儀。在頻譜分析方面，應用了DASP軟件分析系統，對測量數據進行了光譜分析，通過計算相關性、自相關性、相位差和相干系數，確定了各個階段的頻率。在對實驗數據進行阻尼分析時，結構的阻尼特性是通過阻尼比D來表示的，在試驗過程中，運用頻譜圖中的半功率譜帶寬來計算阻尼比。在振動特性分析方面，要運用DASP軟件分析系統進行傳遞函數分析，確認各個檢測點的振動振幅和相位差，以此來獲取橋梁結構的振型數據。

4 結束語

靜載和動載荷載試驗檢測后，全面評估出橋梁結構的性能，可為后續制定合理的維護及修復方案提供科學依據，以此來提升公路橋梁的養護效果。隨著科學技術的不斷進步，可以預見荷載試驗檢測技術將變得更加精確和高效。傳感器技術和數據處理算法的發展，將使試驗數據的采集和分析更加便捷和精確，能夠明顯提高檢測的準確性和可靠性。而進行荷載試驗檢測的相關系統的廣泛應用將成為未來的趨勢，能夠起到實時監測橋梁結構的狀態，及時發現問題并采取預防措施的效果，將有助于延長橋梁的壽命，降低橋梁維護成本。

參考文獻

[1] 王子強.基于特殊檢測與荷載試驗的橋梁承載能力綜合評定[J].安徽建筑，2023，30（12）：177-179.

[2] 張雪華，郭宏.黃溪河上跨橋荷載試驗及分析[J].黑龍江交通科技，2023，46（12）：58-62.

[3] 謝君利，張軍軍.荷載試驗在簡支梁橋檢測中的應用研究[J].黃河科技學院學報，2023，25（11）：71-74.

[4] 藍浩浩，朱子齊.通過工程車加載進行單梁荷載試驗的研究[J].交通科技與管理，2023，4（21）：98-100.

[5] 左小芳.橋梁工程荷載試驗檢測技術研究[J].工程技術研究， 2023，8（17）：69-71.