高 峰，馬樹林

(中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，一大批現(xiàn)代化的大型或特大型橋梁如雨后春筍般出現(xiàn)。大量橋梁的建成極大的方便了人們的出行，同時，一些質(zhì)量較差的大橋所造成的交通安全隱患直接威脅著人們的生命安全。近年來，全國多地發(fā)生新建大橋坍塌事故，大型橋梁 “非正常死亡”現(xiàn)象愈演愈烈，據(jù)不完全統(tǒng)計，在2007～2011年5年間，全國已經(jīng)有至少17座大型橋梁發(fā)生垮塌事故，造成270人死亡、111人受傷、23人失蹤，其直接或間接經(jīng)濟損更是無法估量。橋梁建筑的質(zhì)量是絕對不能輕視的，除了在橋梁勘測設計階段和施工階段進行科學的設計和監(jiān)督。更需要嚴格按照國家橋梁建設相關(guān)規(guī)范要求，在橋梁通車鑒定中、運營過程中對橋梁各項相關(guān)性能指標進行檢測，尤其應提高對大型特大型橋梁長期監(jiān)測能力，隨時實時掌握其運營狀態(tài)和健康狀況。

橋梁撓度測量是橋梁檢測的重要組成部分[1、2]，因為橋梁的撓度與橋梁的承載能力及響應動荷載的能力有密切的關(guān)系。橋梁撓度是橋梁結(jié)構(gòu)檢測內(nèi)容的一個非常重要的參數(shù)，通過荷載試驗獲得的撓度數(shù)據(jù)能夠分析得出荷載的沖擊系數(shù)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，可以直接判斷橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度和薄弱部位，因此在橋梁通車鑒定、定期檢定、維修維護和長期監(jiān)測等環(huán)節(jié)中橋梁的撓度都是重要的參考資料與依據(jù)。撓度測量是橋梁測試的一個重點也是一個難點,目前主要采用拉線式或激光式位移計和全站儀等進行間接測量，這些方法在實際應用中都存在著很大的局限性，因此撓度檢測主要在橋梁通車鑒定和定期檢定過程中進行，而在橋梁長期監(jiān)測中還無法實現(xiàn)。利用傾角儀及其檢測技術(shù)測量大型結(jié)構(gòu)的撓度變化這項技術(shù)是中國地震局工程力學研究所研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，已經(jīng)在十幾個實際工程中得到了應用和推廣。

本次實驗是運用QY型傾角儀對橋梁進行靜力荷載實驗，取得了理想的實驗結(jié)果。以評估橋梁承載能力、工作性能及安全性，為以后橋梁安全檢查或必要的加固維修提供可靠的原始資料[3、4]。

1 QY型傾角儀工作原理及主要技術(shù)指標

1.1 QY型傾角儀原理

荷載試驗過程中需獲得三組實驗數(shù)據(jù)：在加載前應先測量傾角儀的輸出電壓V01；在加載穩(wěn)定后，傾角儀的輸出電壓V02；在卸載穩(wěn)定后傾角儀的輸出電壓V03。當 V01≈V03時，可得傾角為：

由傾角數(shù)據(jù)計算撓度時，要將測得傾角數(shù)據(jù)（′）換算為徑。1′=2.909×10-4徑。

整個荷載試驗通過采用智能橋梁撓度測試儀自動完成，當采集到橋梁各測點的傾角數(shù)據(jù)后，分析軟件計算并給出各監(jiān)測點的實測撓度及其橋梁撓度曲線。

本儀器具有精度高、使用方便、快捷、對環(huán)境條件要求不高和抗干擾能力強的特點。

1.2 QY型傾角儀主要技術(shù)指標

靈敏度： 60′

最大量程：10'

漂移： 30 min≤0.2 s

電源： ±12VDC

使用環(huán)境： 0～50℃；濕度≤85%

尺寸： 210×120×100 mm

重量： 3.5 kg

2 試驗荷載及檢測項目

新建工農(nóng)兵橋位于哈爾濱市道外區(qū)，跨越阿什河，采用三跨預應力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁跨徑布置為3×40 m，全長119.92 m，最大縱坡為0.3%。橋梁全寬為32 m，橋面橫向布置：3.5 m（人行道）+25 m（行車道）+3.5 m（人行道），橋面雙向橫坡為1.5%，每孔12片梁，梁高為2 m，中梁寬為2.4 m，邊梁寬為2.85 m，頂?shù)装搴駷?8 cm，兩側(cè)腹板厚20 cm，跨中設置一道橫隔板，厚度為20 cm，梁間采用濕接縫連接，橋兩側(cè)與現(xiàn)狀水泥路順接。

新建工農(nóng)兵橋設計標準為：

（1）設計荷載：道路橋梁荷載標準城-A級。

（2）設計車速50 km/h。

（3）地震動峰值加速度為0.05 g，不進行抗震設計。

為保證橋梁建設的安全，哈爾濱市工農(nóng)兵大橋工程建設指揮部委托中國地震局工程力學研究所對主橋結(jié)構(gòu)進行鑒定性質(zhì)的竣工試驗。以檢驗橋梁主結(jié)構(gòu)的設計、施工質(zhì)量，評估橋梁承載能力、工作性能及安全性，并為今后橋梁安全檢查或必要的加固維修提供可靠的參考資料。

試驗的主要內(nèi)容包括：靜載試驗、動載試驗和結(jié)構(gòu)動力特性測定等三部分。本文只介紹靜載試驗部分。

3 靜載試驗

（1）試驗工況。分別在邊跨和中跨順橋向進行各5種，除跨中2車偏載外，其余皆采用6車對稱加載，分別布置10.5 m、15.25 m、20 m、29.5 m處，共十個工況。本文選工況2中跨6車對稱加載分析 (橋梁中跨兩端支座產(chǎn)生最大彎矩)。

（2）測點布置。傾角儀順橋梁中跨軸向均勻布設5個測點，即兩端支座各一點，跨中一點，測量四分之一跨各一點。

（3）試驗分析原理。根據(jù)結(jié)構(gòu)理論，梁的撓度是傾角函數(shù)的積分關(guān)系；梁的彎矩則與傾角函數(shù)的一次微分成正比；剪力又是彎矩的一次微分關(guān)系，若準確地測得梁的傾角函數(shù)便可獲得撓度及內(nèi)力的分布。

將試驗重車沿橋軸向按預定載位對稱布設，進行多次加載和卸載過程，橋面系假定為全截面均勻受力，利用沿橋梁軸向設置的傾角儀和智能橋梁撓度測試儀[6]，準確地檢測軸對稱布設的荷載在橋面不同位置上，橋梁傾角和撓度的變化規(guī)律，以獲取橋梁所受的實際內(nèi)力，用以檢驗橋梁的受力狀態(tài)及工作性能。測試系統(tǒng)、布點及儀器參見圖1、圖2、圖3。

4 靜載試驗數(shù)據(jù)——順橋向中跨靜載試驗數(shù)據(jù)

圖1 測試儀框圖Fig.1 Diagram of tester

圖2 布點加載圖Fig.2 Diagram of point loading

圖3 傾角儀順橋梁軸向布點示意圖Fig.3 Schematic diagram of distribution of inclinometer along bridge axial schematic layout

傾角儀布置：兩端支點處距離梁端半米，在38 m等距離布設，下面所涉及距離以橋梁西側(cè)端為原點。測點盡量沿橋梁平行軸向直線布設，試驗加載前對傾角儀進行調(diào)零，加載與卸載后要求橋梁穩(wěn)定后再進行同步采集。工況2：跨中（20m）六車對稱加載。

表1 試驗實測數(shù)值Table 1 Measured values of experiment

5 靜載試驗數(shù)據(jù)分析

圖4所示為在工況2荷載作用下，根據(jù)傾角儀的實測數(shù)據(jù)計算得到的橋梁撓度曲線。表4列出了控制點的平均實測傾角值和計算撓度值。

圖4 計算撓度曲線Fig.4 Computation of deflection curve

表2 觀測點的實測傾角值和計算撓度值Table 2 The measured inclination value and calculated deflection of observation point

除了表中所列檢測項目外，針對某些工況，給出卸載以后的撓度殘余變形計算。在橋梁荷載試驗過程中必然帶來結(jié)構(gòu)存在一定的殘余變形，而相對殘余變形是考察結(jié)構(gòu)彈性回復能力的主要指標，橋梁設計要求需要控制相對殘余變形在小于20%以內(nèi)。撓度相對殘余變形計算由下式：

式中，SP表示卸載達到穩(wěn)定時檢測點的殘余變形測量值；St表示加載穩(wěn)定時相應檢測點的變形測量值。所測梁段的殘余變形很小。相對殘余變形都遠遠低于20%，證明該橋具有良好的彈性回復能力。

6 結(jié)論

本文研究將傾角儀布設在橋面上的橋梁撓度測試方法，直接測量得到橋梁真實撓度變化，無須考慮支座處沉降和復雜的支架設施，極大地降低了試驗成本和縮短了測試時間。

通過試驗所測橋梁在實驗荷載不利情況下，最大撓度為工況2的4.557 mm，根據(jù)實驗荷載的撓度數(shù)值推測，在設計荷載不利的情形下，跨中撓度也遠小于交通部頒發(fā)的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》之規(guī)定，滿足行車安全需要。表明橋梁具有充分的剛度儲備。通過對橋梁的內(nèi)力分析表明，橋梁結(jié)構(gòu)的強度符合設計要求。

通過對橋梁橫截面方向撓度曲線分析，在實驗荷載作用下，撓度沿橋截面的變化很小，表明所測梁的穩(wěn)定性很好。加載卸載后所測梁段相對殘余變形很小，表明所測梁段彈性回復能力良好。

通過多次現(xiàn)場試驗，本研究從試驗方法和測試技術(shù)方面完全滿足橋梁撓度測試的試驗要求，更進一步的工作是多種測量手段的對比精度測試。

[1]楊學山，侯學民，廖振鵬.橋梁撓度測量的一種新方法[J].土木工程學報，2002，35(2)：92～96

[2]侯學民，楊學山，廖振鵬.實時測量橋梁撓度[J].地震工程與工程振動.2002，22(1)：67-72

[3]侯學民，楊學山，黃僑.利用傾角儀測量橋梁的撓度[J].橋梁建設.2004，(2)：69-72

[4]楊學山，侯興民，馬樹林，等.陶賴昭松花江大橋撓度測量分析[J].地震工程與工程振動，2003，23(2)：77-80

[5]楊學山，工程振動測量儀器和測試技術(shù)[M].北京：中國計量出版社，2001.

[6]高峰，王雷，可變電容式傾角儀低溫性能的實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，2：31-33.