荷載試驗(yàn)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

桂永旺 萬(wàn)嬌

摘 要：橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣，在后期投入使用后可能因?yàn)榕既灰蛩?、超載超速車(chē)輛通行等原因出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)等問(wèn)題，影響橋梁的正常使用。為檢測(cè)橋梁的各項(xiàng)指標(biāo)，相關(guān)部門(mén)需根據(jù)橋梁規(guī)模和特點(diǎn)規(guī)范開(kāi)展荷載試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)養(yǎng)護(hù)、維修橋梁。重點(diǎn)分析了橋梁檢測(cè)中荷載試驗(yàn)的應(yīng)用要點(diǎn)，對(duì)橋梁檢測(cè)具有指導(dǎo)與借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測(cè)；荷載試驗(yàn)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U445? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）05-0098-03

0 引言

橋梁檢測(cè)在保障橋梁正常使用方面起到了至關(guān)重要的作用，荷載試驗(yàn)則是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)承載力的最直接手段，可用試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)橋梁養(yǎng)護(hù)管理、維護(hù)加固等工作，以便于發(fā)現(xiàn)橋梁工程的質(zhì)量缺陷，及時(shí)消除橋梁工程安全隱患。行業(yè)內(nèi)針對(duì)荷載試驗(yàn)工作制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，各個(gè)橋梁檢測(cè)中都需根據(jù)自身情況，優(yōu)化荷載試驗(yàn)流程，科學(xué)制定試驗(yàn)方案，規(guī)范開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析整理工作，以獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

1 橋梁檢測(cè)中荷載試驗(yàn)簡(jiǎn)介

荷載試驗(yàn)應(yīng)用于橋梁工程能評(píng)估橋梁的安全性能。具體的試驗(yàn)過(guò)程中，需對(duì)待測(cè)橋梁施加特定荷載，在此基礎(chǔ)上測(cè)定、分析橋梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。通過(guò)這一數(shù)值準(zhǔn)確評(píng)估橋梁的運(yùn)行情況，判斷橋梁是否有質(zhì)量缺陷、安全隱患，并將試驗(yàn)結(jié)果、評(píng)估結(jié)論作為橋梁交竣工驗(yàn)收、加固改造等工作的依據(jù)。荷載試驗(yàn)中一般要借助專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備，例如精密水準(zhǔn)儀、應(yīng)力應(yīng)變采集設(shè)備、動(dòng)態(tài)參數(shù)采集設(shè)備、機(jī)電百分表等。荷載試驗(yàn)依據(jù)加載類(lèi)型，可分為靜載和動(dòng)載兩種，荷載試驗(yàn)對(duì)舊橋梁、改擴(kuò)建橋梁、加固橋梁與新建橋梁等都十分適用。

開(kāi)展橋梁荷載試驗(yàn)的意義體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①?gòu)恼w上評(píng)估橋梁施工質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載能力能否滿(mǎn)足正常使用的要求，為橋梁結(jié)構(gòu)能否投入使用提供重要依據(jù)。②判定在用橋梁的承載力，判定舊橋是否可繼續(xù)使用，通過(guò)荷載試驗(yàn)來(lái)評(píng)估其承載力是否符合結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。③驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，利用荷載試驗(yàn)可判定新材料、新工藝是否符合橋梁的結(jié)構(gòu)要求。

2 荷載試驗(yàn)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用方法

2.1 靜載試驗(yàn)方法

2.1.1 測(cè)點(diǎn)的選定

靜載試驗(yàn)是橋梁荷載試驗(yàn)最基本測(cè)試方法。在開(kāi)展這一試驗(yàn)時(shí)，需保障所選擇的測(cè)量點(diǎn)符合要求，一般可將測(cè)點(diǎn)設(shè)于有代表性的橋跨、易于完成測(cè)試過(guò)程的截面、外觀有缺陷或者易發(fā)生病害的橋跨。通過(guò)布設(shè)測(cè)點(diǎn)，可評(píng)估結(jié)構(gòu)局部受力情況以及整理受力情況。但考慮到每個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式各有區(qū)別，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意加載截面與內(nèi)容。表1羅列了部分橋型主要測(cè)試工況及測(cè)試內(nèi)容。針對(duì)不同橋型，需嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求，科學(xué)設(shè)定測(cè)試工況，并選擇測(cè)試內(nèi)容，準(zhǔn)確獲取橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能指標(biāo)。

2.1.2 荷載加載方式和注意事項(xiàng)

荷載試驗(yàn)過(guò)程中，相關(guān)人員需注意試驗(yàn)過(guò)程中不得損壞橋梁的整體性能。有關(guān)人員要計(jì)算設(shè)計(jì)荷載條件下橋梁控制截面的最不利內(nèi)力值，得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果后，再依據(jù)前期所選定的加載方式計(jì)算控制截面的內(nèi)力?？刹捎闷?chē)加載或者水箱加載的方式。加載時(shí)，還需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整加載位置、荷載大小，以確保試驗(yàn)荷載計(jì)算值與最不利內(nèi)力值的偏差最小[1]。

行業(yè)內(nèi)關(guān)于靜載試驗(yàn)提出了相應(yīng)的操作規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，其中明確指出了試驗(yàn)荷載計(jì)算值與最不利內(nèi)力值之比為靜力荷載加載效率，這一指標(biāo)一般在0.85～1.05。試驗(yàn)中需注意，試驗(yàn)荷載加載計(jì)算方式有嚴(yán)格要求，控制截面影響線最為常用。計(jì)算時(shí)需保障加載過(guò)程中，在控制截面的試驗(yàn)內(nèi)力值達(dá)到規(guī)定加載效率的情況下，其他截面的試驗(yàn)內(nèi)力值不超過(guò)設(shè)計(jì)內(nèi)力值。

2.1.3 靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)

當(dāng)按照相關(guān)規(guī)定完成了靜載試驗(yàn)后，試驗(yàn)人員需對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展全面分析，以得到更為可靠的結(jié)論。

針對(duì)靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)，校驗(yàn)系數(shù)η為關(guān)鍵指標(biāo)，指的是橋梁在任一檢測(cè)位置靜載實(shí)際測(cè)試數(shù)值與理論數(shù)值的比值。在檢測(cè)過(guò)程中，如果η＜1，意味著該橋梁處于較為正常的運(yùn)行條件下，受力性能良好，該項(xiàng)指標(biāo)基本滿(mǎn)足要求；當(dāng)η＞1時(shí)，意味著該橋梁運(yùn)行中的安全風(fēng)險(xiǎn)較大，繼續(xù)加載存在較大風(fēng)險(xiǎn)，易出現(xiàn)事故，應(yīng)立即停止試驗(yàn)加載，需及時(shí)開(kāi)展原因分析，及時(shí)排除試驗(yàn)方面的問(wèn)題，若因結(jié)構(gòu)本身的缺陷需及時(shí)加固或改造。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)是一個(gè)相對(duì)突出的問(wèn)題，車(chē)輛荷載、風(fēng)荷載等都會(huì)引起振動(dòng)。為此各類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)、施工與養(yǎng)護(hù)中需重視車(chē)輛振動(dòng)、其他動(dòng)力荷載的影響。對(duì)橋梁的振動(dòng)問(wèn)題，可利用動(dòng)載試驗(yàn)來(lái)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在橋梁中實(shí)施動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，要利用某種激振來(lái)引起橋梁的振動(dòng)。在此過(guò)程中，檢測(cè)橋梁的固有頻率、阻尼比、動(dòng)力沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)等參數(shù)，通過(guò)處理和分析這些數(shù)據(jù)，來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估橋梁的動(dòng)力特性、動(dòng)力響應(yīng)以及其他使用性能能否處于正常狀態(tài)。動(dòng)載試驗(yàn)主要包含以下3種類(lèi)型。

2.2.1 環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)中的環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)十分重要，這一試驗(yàn)與橋梁周?chē)募?lì)源類(lèi)型、特性有著緊密的聯(lián)系。在很多橋梁工程中，其周邊的激勵(lì)源無(wú)法確定，設(shè)置個(gè)別橋梁周?chē)募?lì)源較多。為正常開(kāi)展環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)，具體操作時(shí)，應(yīng)使環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)輸入與隨機(jī)噪聲相接近，最終通過(guò)分析振動(dòng)信號(hào)來(lái)得到相對(duì)可靠的結(jié)果。

2.2.2 強(qiáng)迫振動(dòng)法

在利用強(qiáng)迫振動(dòng)法開(kāi)展動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員需配備專(zhuān)門(mén)的激振裝置。在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)橋梁施加一定的激振力，引起橋梁的振動(dòng)，利用共振原理來(lái)分析橋梁的動(dòng)力特點(diǎn)。當(dāng)在橋梁檢測(cè)中利用這一方法時(shí)，檢測(cè)精度基本可達(dá)到要求。采用這一試驗(yàn)方法，相關(guān)人員能從整體上把握橋梁的結(jié)構(gòu)特性。但這一檢測(cè)方法下也存在一定的不足，就是有嚴(yán)格的試驗(yàn)條件，為滿(mǎn)足試驗(yàn)需求，需短暫中斷交通，且試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)。

2.2.3 車(chē)輛沖擊試驗(yàn)

車(chē)輛沖擊試驗(yàn)在現(xiàn)階段的橋梁工程中應(yīng)用非常多，但再進(jìn)一步細(xì)分，又包含了跑車(chē)、跳車(chē)和制動(dòng)試驗(yàn)3種。如在檢測(cè)過(guò)程中采用的是跑車(chē)試驗(yàn)，需使車(chē)輛以不同速度行駛過(guò)試驗(yàn)橋梁，引起橋梁的振動(dòng)。在此試驗(yàn)中的動(dòng)力響應(yīng)最大頻率就是橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過(guò)這一試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果也就能分析該橋梁的振幅、沖擊系數(shù)、阻尼比等參數(shù)[2]。試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與許多因素都有關(guān)，為提高試驗(yàn)結(jié)果可靠性，試驗(yàn)人員需嚴(yán)格遵循試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3 案例分析

3.1 工程概況

以某跨線橋工程為例，原設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載等級(jí)為城-A級(jí)（CJJ-98），中心樁號(hào)K1+130.57，建成于2004年，全長(zhǎng)53.09 m，橋面總寬22 m。橋梁上構(gòu)采用2×16 m裝配式鋼筋混凝土簡(jiǎn)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(shè)一個(gè)板式橡膠支座；下構(gòu)橋墩采用三柱式墩、橋臺(tái)為重力式U型橋臺(tái)。橋面鋪裝采用8 cm厚防水混凝土，兩橋臺(tái)處各設(shè)一道橡膠伸縮縫。根據(jù)管養(yǎng)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(jìn)行過(guò)一次維修加固。2016年的維修加固內(nèi)容主要包括T梁和墩臺(tái)裂縫修補(bǔ)、橫隔板粘貼鋼板加固、更換0#臺(tái)伸縮縫等。依據(jù)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(guān)部門(mén)安排專(zhuān)人對(duì)該橋梁實(shí)施了定期檢測(cè)，結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，此橋梁在使用的過(guò)程中發(fā)生了各種病害，如多片T梁出現(xiàn)豎向裂縫，其中4片T梁底板位置有U型豎向裂縫，通過(guò)對(duì)典型裂縫進(jìn)行鉆芯檢測(cè)，發(fā)生U型裂縫已貫穿T梁腹板厚度方向，裂縫已發(fā)展至梁體中性軸以上的部位，個(gè)別T梁端部側(cè)面分布有斜向裂縫，全橋技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果為D級(jí)，橋梁的承載力等無(wú)法明確能否滿(mǎn)足正常通行要求。為精準(zhǔn)把握該橋梁工程的運(yùn)行和使用情況，相關(guān)部門(mén)需對(duì)該橋梁實(shí)施荷載試驗(yàn)。

3.2 靜載試驗(yàn)

3.2.1 計(jì)算分析

在該橋梁檢測(cè)中，主要檢驗(yàn)上部結(jié)構(gòu)承載力能否滿(mǎn)足城-A級(jí)通行需求。檢測(cè)以下內(nèi)容：最大正彎矩截面正載及偏載，測(cè)試主梁應(yīng)力、撓度、裂縫等指標(biāo)。計(jì)算各段主梁在不同加載條件下的內(nèi)力值，試驗(yàn)時(shí)荷載效率系數(shù)在0.96～1.02，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.2.2 應(yīng)變撓度測(cè)試

應(yīng)變檢測(cè)是橋梁試驗(yàn)檢測(cè)中的重點(diǎn)內(nèi)容，檢測(cè)過(guò)程中要配備電阻應(yīng)變片，并借助數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)來(lái)采集和分析數(shù)據(jù)。撓度測(cè)試也是靜載試驗(yàn)的主要控制指標(biāo)，可采用光學(xué)測(cè)量設(shè)備或機(jī)電百分表進(jìn)行測(cè)試。本橋梁的應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)中，檢測(cè)對(duì)象為第1、2跨的主梁混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與檢測(cè)要求，單個(gè)截面總共布設(shè)有20個(gè)測(cè)點(diǎn)。

本橋梁的撓度檢測(cè)中，檢測(cè)對(duì)象為第1、2跨的跨中截面，安裝機(jī)電百分表，橫向共布設(shè)了10個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。相關(guān)人員在規(guī)范化檢測(cè)下得到了結(jié)果，依據(jù)數(shù)值分析，發(fā)生應(yīng)變及撓度實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)超出計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)在加載效率達(dá)到60%時(shí)已接近1.0，同時(shí)控制截面附近梁體裂縫有新增現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步分析，排除了理論計(jì)算及測(cè)試方面的問(wèn)題，說(shuō)明該橋梁的承載力偏低，在橋梁運(yùn)行中的安全風(fēng)險(xiǎn)較大[3]。

3.2.3 綜合評(píng)定

依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在試驗(yàn)過(guò)程溫度及風(fēng)速均穩(wěn)定的情況下，橋梁實(shí)際承載能力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及抗裂性能不能滿(mǎn)足要求，無(wú)法滿(mǎn)足城-A級(jí)荷載等級(jí)的通行條件。

3.3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.3.1 測(cè)試方法

針對(duì)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于無(wú)法提供激振措施，本次試驗(yàn)以采集動(dòng)力特性為主要測(cè)試目標(biāo)，設(shè)置了脈動(dòng)測(cè)試工況。采用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，本橋一階頻率為5.634 Hz。根據(jù)建立模型計(jì)算的理論振型，對(duì)該橋進(jìn)行測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置，根據(jù)規(guī)范要求及現(xiàn)場(chǎng)情況，選取該橋第一跨最大正彎矩截面作為測(cè)試截面，在靠近行車(chē)道外邊沿布設(shè)拾振器。

3.3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)該橋?qū)崪y(cè)脈動(dòng)信號(hào)的頻譜分析得到結(jié)構(gòu)自振頻率。自振特性實(shí)測(cè)結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

3.3.3 綜合評(píng)定

通過(guò)脈動(dòng)測(cè)試得到該橋?qū)崪y(cè)頻率，一階實(shí)測(cè)頻率為5.250 Hz，其實(shí)測(cè)頻率與理論計(jì)算頻率比值為0.932，表明橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)際整體剛度小于理論剛度，與靜載試驗(yàn)撓度測(cè)試結(jié)果相符。

3.4 荷載試驗(yàn)

在本橋梁工程項(xiàng)目中，為精準(zhǔn)評(píng)估該橋梁的承載力等各項(xiàng)指標(biāo)，相關(guān)人員利用靜載試驗(yàn)對(duì)橋梁施加了一定的靜力荷載。在該試驗(yàn)下，測(cè)定了特定荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得到的試驗(yàn)結(jié)果可用于評(píng)估本橋梁的承載力。試驗(yàn)過(guò)程還包含了應(yīng)力測(cè)試、位移測(cè)試與裂縫寬度監(jiān)測(cè)，通過(guò)全面整合這些試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)抽檢橋孔在試驗(yàn)荷載條件下的彈性恢復(fù)能力較強(qiáng)，強(qiáng)度及剛度設(shè)計(jì)荷載要求，橋梁的通行能力不足。

3.5 檢測(cè)結(jié)論與建議

通過(guò)分析該橋梁的荷載試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合橋梁技術(shù)狀況為D級(jí)，橋梁無(wú)法滿(mǎn)足通行需求，處于不合格狀態(tài)。

針對(duì)該橋梁所存在的問(wèn)題，有關(guān)部門(mén)在實(shí)際的施工中需注意以下4個(gè)方面：①由于主要構(gòu)件病害嚴(yán)重，上部結(jié)構(gòu)承載能力不足，需更換橋梁上部結(jié)構(gòu)板梁，以通過(guò)這一處理方式來(lái)提升橋梁的荷載等級(jí)，為通行車(chē)輛提供更為安全、舒適的通行條件。②對(duì)現(xiàn)有橋梁墩臺(tái)鋼筋銹脹部位實(shí)施除銹處理，并根據(jù)實(shí)際需求及時(shí)修復(fù)保護(hù)層。③鑒于橋梁墩柱和蓋梁部位存在混凝土的剝落現(xiàn)象，為避免混凝土剝落造成橋梁更為嚴(yán)重的質(zhì)量或者安全問(wèn)題，影響橋梁的使用，有關(guān)部門(mén)應(yīng)組織專(zhuān)人將這些部位的表層混凝土鑿除干凈，隨后通過(guò)植筋、外包混凝土的方式來(lái)加固，以提升這些部位的結(jié)構(gòu)性能。④當(dāng)基本的修復(fù)、加固處理結(jié)束后，相關(guān)部門(mén)還需為該橋梁設(shè)定荷載限值，并加強(qiáng)日常巡查。

4 結(jié)束語(yǔ)

荷載試驗(yàn)是橋梁檢測(cè)中最為常用的方式，當(dāng)前的橋梁工程領(lǐng)域，采用常規(guī)檢測(cè)手段無(wú)明確橋梁承載能力情況下，荷載試驗(yàn)仍是最直接有效的手段。相關(guān)部門(mén)在橋梁檢測(cè)中應(yīng)立足橋梁本身，規(guī)范開(kāi)展荷載試驗(yàn)，通過(guò)荷載試驗(yàn)結(jié)果的分析來(lái)評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)安全性、使用性能，為日常養(yǎng)護(hù)與維修加固提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉志軍，劉志勇.論述公路橋梁檢測(cè)中荷載試驗(yàn)的應(yīng)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(yàn)檢測(cè)在橋梁養(yǎng)護(hù)中的作用探討[J].工程技術(shù)研究，2020，5（3）：83-84.

[3] 張國(guó)明.橋梁現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)[J].廣東建材，2020， 36（8）：32-34+4.