周廣利

(山東省交通科學研究院, 山東 濟南 250101)

橋梁荷載試驗通過施加荷載對橋梁結構或構件的靜、動力特性進行現(xiàn)場測試，包括靜載試驗和動載試驗。對于新建特大橋及采用特殊工藝、特殊結構的橋梁，荷載試驗作為測定施工質量和結構受力性能的重要手段，常作為交工驗收的必要程序，也為后期橋梁運營養(yǎng)護和檢測評定提供初始技術數(shù)據(jù)；對于結構形式相對簡單的預制裝配中小跨徑橋梁，交工階段往往不進行荷載試驗，而在施工階段選取若干片梁板單獨進行單梁靜載試驗；對于技術狀況等級為四、五類及擬提高荷載等級或需通行特殊重型車輛的舊橋，荷載試驗是橋梁外觀調查評定的深化和補充，結合材質狀況檢測數(shù)據(jù)，通過結構驗算實現(xiàn)對橋梁承載能力的量化分析和評定，其結果通常作為橋梁加固和改造的重要依據(jù)。目前公路橋梁荷載試驗主要依據(jù)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》和JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》開展，兩規(guī)范是在《公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)》和《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》的基礎上總結經(jīng)驗編制形成，盡管內(nèi)容可操作性有了較大提升，但在實施過程中仍然存在諸多問題。該文針對中小跨徑橋梁荷載試驗中常見的問題進行總結和梳理，并提出針對性的解決建議。

1 荷載試驗關鍵影響因素分析

橋梁荷載試驗在試驗準備、現(xiàn)場實施和試驗結果分析等階段均受諸多因素的影響。下面根據(jù)實際工程經(jīng)驗，結合相關文獻的研究成果，對理論計算、加載測試和數(shù)據(jù)處理等荷載試驗主要環(huán)節(jié)的關鍵影響因素進行分析。

1.1 理論分析過程中的影響因素分析

1.1.1 結構簡化模型的建立

結構理論計算模型的建立是影響試驗結論的關鍵環(huán)節(jié)。使用平面程序往往不能準確模擬復雜或異形橋梁的空間受力狀況，同時部分平面程序不能進行模態(tài)分析等動力學計算，故結構計算優(yōu)先采用空間有限元程序。在結構有限元模型建立時，不管使用平面程序還是空間程序，要盡量做到有限元模型與實際結構相一致。在實際工程中，大型橋梁的撓度和應變校驗系數(shù)較高，實測的結構自振頻率與計算值吻合較好，而對于中小跨徑橋梁，特別是拼裝結構的砼梁橋，實測撓度、應變和自振頻率等與理論計算值常偏差較大，其主要原因在于模型的簡化或等效出現(xiàn)了問題。設計中通常按較保守的方法進行模型處理和簡化，如空心板梁橋通常不考慮鉸縫砼參與受力、橋面鋪裝層僅考慮部分參與受力等，這些簡化計算和荷載試驗時結構的實際狀態(tài)存在較大差別。對橋梁結構進行模態(tài)分析時，若要計算結構的扭轉振型，必須使用梁格法或空間實體有限元方法計算獲取扭轉振型。而對于整體現(xiàn)澆的橋梁，若寬跨比較小，通?？珊喕癁榱菏浇Y構；但若寬跨比較大，則優(yōu)先使用梁格法或三維實體單元。

材料參數(shù)取值的合理和準確性直接影響橋梁結構的計算結果，其中砼彈性模量的選擇最重要。對于新橋的荷載試驗，可根據(jù)設計值選取材料參數(shù)；對于舊橋，則宜根據(jù)材質檢測結果設置材料參數(shù)。

1.1.2 橫向分布計算方法選擇和參數(shù)取值

橫向分布系數(shù)能有效地將復雜的空間問題簡化成對單梁的計算問題，跨中區(qū)域的橫向分布系數(shù)可采用鉸接梁法、剛接梁法、偏心壓力法、比擬正交異性板法和彈性支撐法等，支點截面的橫向分布多采用杠桿原理法。但理論計算橫向分布系數(shù)與結構的真實狀況存在差別，需根據(jù)橋梁結構形式和實際狀況等因素選擇最合適的方法和最合理的參數(shù)。如裝配式小箱梁橋可采用剛性板梁、剛性橫梁法和比擬正交異性板法進行計算，但對不同寬跨比的橋梁，宜根據(jù)實際選用不同計算方法，3～5片梁時優(yōu)先使用剛性橫梁法，5～9片梁時宜使用比擬正交異性板法。另外，是否考慮鋪裝層也對計算結果有明顯影響。梁格法也是橋梁上部結構分析的有效方法，梁格法和經(jīng)典橫向分布計算方法對比使用能相互驗證，有效降低計算誤差，有助于試驗結果的準確判定，提高試驗結果的精度。

1.1.3 橋面鋪裝層參與結構受力的處理

在橋梁設計時，橋面砼鋪裝層通常視為橋梁的附屬結構，不參與梁體受力，這種處理方法有利于提高結構安全儲備，在設計角度是偏于安全的。大跨徑橋梁的主梁高度大，鋪裝層對箱梁剛度和強度的提升較小，可忽略不計。對單梁的試驗研究結果表明，橋面鋪裝能顯著提高單梁的抗裂、剛度、極限承載力，極限承載力提高可達25%以上。因此，在中小跨徑橋梁評估時，其計算模型宜適當考慮鋪裝層的影響，以減小計算假定導致的誤差。對小箱梁橋的單梁和試驗研究發(fā)現(xiàn)，若接觸面進行鑿毛處理，鋪裝層可100%參與受力，一般情況下約70%鋪裝層參與小箱梁共同受力，表明橋面鋪裝層對荷載試驗結果有重要影響。為真實反映結構的受力狀況，在進行理論計算和承載力評定時，需考慮橋面鋪裝層參與梁體受力。

1.1.4 鉸縫、濕接縫等協(xié)同工作的考慮

目前公路上廣泛采用深鉸縫的空心板結構，鉸縫尺寸相對于空心板不能忽略不計，同時空心板和鉸縫結合面采取鑿毛處理，空心板在荷載試驗中能充分參與結構受力。在鉸縫破損前的彈性工作階段，鉸縫完好，鉸縫砼能均勻傳遞荷載，并與空心板共同受力。對于中小跨徑砼橋梁的理論計算，不管采用平面還是空間有限元程序，均宜考慮鉸縫和濕接縫砼對結構整體剛度、強度的影響，若鉸縫和濕接縫等使用的材料與主梁相同或差別不大，可考慮鉸縫和濕接縫砼直接參與結構受力。

1.1.5 簡支梁橋墩頂橋面連續(xù)的影響

簡支梁橋是中國數(shù)量最多的橋梁結構形式，且大部分采用橋面連續(xù)鋪裝。橋面連續(xù)的簡支橋梁結構通常按簡支結構計算，設計階段采用這種處理方法是偏于保守的，但在靜載試驗計算時若忽略橋面連續(xù)的影響，將導致理論撓度值出現(xiàn)較大偏差。根據(jù)相關研究成果，簡支梁橋梁端處橋面連續(xù)鋪裝在汽車荷載作用下會產(chǎn)生過大的應力，墩頂連續(xù)處需布置加密鋼筋網(wǎng)防止墩頂橋面橫向開裂。采用橋面連續(xù)結構可起到改善空心板橋受力性能的作用，對于20 m空心板橋，考慮橋面連續(xù)的結構模型的撓度和應變最大值分別為單跨結構模型的80%、87%。而在實際荷載試驗中，墩頂通常存在1條或多條橫向裂縫，當墩頂出現(xiàn)橫向裂縫時，墩頂橋面鋪裝對撓度和應變的影響并不容易準確評估，宜根據(jù)檢測情況考慮橋面連續(xù)鋪裝層厚度的折減。

1.1.6 斜彎橋梁的計算

斜度大于15°的預制裝配式斜板、斜梁橋應按斜交橋理論計算荷載效應，平面彎橋一般可采用數(shù)值計算方法進行受力變形分析。與正交直線橋梁相比，斜彎橋梁受力特性有很大區(qū)別，主要有軸向變形和平面內(nèi)彎曲的耦合、豎向撓曲與扭轉的耦合及它們與截面畸變的耦合。因此，斜彎橋梁的荷載試驗應以正交、直線橋梁為基礎，結合斜彎橋梁的受力特性進行理論計算和方案制訂?？紤]斜彎橋梁的空間受力特性，其計算比正交直線橋梁要更全面，必要時宜采用空間有限元程序。

1.1.7 模態(tài)分析時預應力的處理

橋梁結構中的鋼筋和鋼絞線等可在一定程度上提升結構剛度，但在進行整體受力分析時，若各種鋼筋和鋼絞線考慮過細，有限元模型將過于復雜，影響計算效率，特別是使用ANSYS和ABAQUS等通用有限元程序時。相關研究成果表明，預應力可一定程度上提升結構的自振頻率，但相比彈性模型等材料特性其影響較小，某些情況下甚至可忽略不計。因此，采用實體單元對結構進行三維有限元分析時，可不考慮預應力筋對結構整體剛度的影響。

1.1.8 模態(tài)分析時二期恒載的處理

橋面鋪裝層和護欄等二期恒載會對結構自振頻率產(chǎn)生影響，對于中小跨徑梁橋，考慮二期恒載的模型計算所得基準頻率比不考慮的模型通常下降5%左右。因此，進行結構模態(tài)分析時，水泥砼鋪裝層可部分參與結構受力，瀝青鋪裝層和護欄等等效為附屬質量?？刹捎靡韵聝煞N處理方法：1) 等效為集中質量，作用于相應的單元或節(jié)點上；2) 把附屬質量等效為結構主體質量，將主體材料的密度相應放大，實現(xiàn)對附加質量的模擬。

1.2 加載和測試階段的關鍵點

1.2.1 試驗工況和測試斷面選擇

橋梁靜載試驗要根據(jù)橋梁結構形式、檢測目的、現(xiàn)場檢測條件等綜合確定主要加載工況和控制斷面，一般需遵循最不利受力原則和最具代表性原則。選擇的加載試驗項目應抓住重點，不宜過多，但主要工況應為必做工況，如簡支梁橋應以跨中截面的最大正彎矩工況為主、L/4截面最大正彎矩和支點附近截面最大剪力工況為輔。在制訂試驗方案時，在滿足試驗荷載效率的前提下，可合并相應工況，以提高試驗效率。偏載工況通常是橋梁設計計算時最不利工況，往往能反映橋梁實際內(nèi)力及變形狀態(tài)與設計狀況的差異，對于橫向位置不對稱的直橋、斜彎橋和異形橋需重點考慮。

1.2.2 試驗跨選擇

對于結構形式相同且跨數(shù)較多的橋梁，荷載試驗優(yōu)先選擇在最具代表性或技術狀況最差的孔徑進行，試驗跨的選擇通常根據(jù)外觀調查結果、綜合現(xiàn)場的檢測條件確定。但試驗跨的選擇僅依靠外觀調查結果，難免存在主觀性和偏差?？赏ㄟ^簡單的跑車試驗或脈動試驗，利用沖擊系數(shù)或自振頻率結果粗略估算橋跨的健康狀況，挑選最薄弱的試驗跨。對于加固或改建后的橋梁，宜按照最不利受力原則，結合加固改建的具體內(nèi)容、范圍及改造前病害嚴重程度優(yōu)化試驗跨和試驗斷面選擇。

1.2.3 測點布置

位移測點和應變測點應根據(jù)測試內(nèi)容、測試斷面合理布置，應能反映結構的受力特性。撓度主要體現(xiàn)結構的整體受力特性，縱橋向宜布設在各工況荷載作用下?lián)隙惹€的峰值位置，橫橋向應能充分反映橫向撓度的分布特性，在偏載一側可適量加密測點，多梁式結構宜逐片布置，整體式截面不少于3個。應變主要反映構件的局部受力特性，測點布置應遵循重點突出、上下兼顧的原則。使用單向應變計時要綜合考慮測點位置和測試方向，且關鍵位置測點宜加密布設。根據(jù)構件高度方向布置傳感器測定中心軸時，高度方向不少于5個測點且應遠離中性軸位置。需指出的是，鋼筋砼受彎構件受拉區(qū)砼在試驗時若發(fā)生開裂，砼應變測試結果會失真，此時應變測點宜布置在受拉區(qū)的主筋上。

1.2.4 變位測量方法選擇

目前中小跨徑橋梁變位測量常用儀器有機械式位移計、電測位移計、水準儀和全站儀等。機械式位移計安裝、使用方便，精度高，受環(huán)境影響小，但不能自動記錄，適用于撓度測點少、便于搭設支架的橋梁。電測位移計測量撓度精度高，穩(wěn)定性好，響應快，且便于通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)多測點的自動采集記錄，適合實測撓度較小的中小跨徑橋梁，但需現(xiàn)場搭設支架，在跨河或山谷不宜采用。對于跨度大、實測撓度大的橋梁，若精度要求不高，可選擇精密水準儀、全站儀進行檢測，但受光線和距離影響較大，且觀測視線易受到加載車輛等的阻擋，不能自動采集，效率低。在實際工程中，要根據(jù)檢測條件選擇最有效的檢測方法，條件允許時首選電測位移計。

1.2.5 應變測試傳感器的選擇

目前應變測試技術已十分完善，但由于砼材質的不均勻性和傳感器的安裝質量等因素，應變測量依然是橋梁荷載試驗中的難點。目前使用最廣泛的應變測試方法有電阻應變片、振弦式和光纖光柵式應變傳感器。電阻應變片價格低廉，靈敏度高，響應速度快，且便于通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集記錄，但現(xiàn)場貼片要求高，工作量大，易受外界環(huán)境的影響。振弦式傳感器的穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，安裝和數(shù)據(jù)采集也較方便，但表貼式傳感器對安裝質量和安裝底座處砼質量要求高，預埋式傳感器則需在砼澆筑前安裝。應變片全工作長度與橋梁測試點處的材料接觸，而振弦式傳感器是通過安裝底座與橋梁結構實現(xiàn)協(xié)同變形，其安裝質量特別是傳感器與結構的黏結性能直接影響傳感器與結構變形的一致性，從而決定測量數(shù)據(jù)的準確性。需指出的是，對于鋼筋砼梁橋等規(guī)范允許出現(xiàn)裂縫的結構，若應變測點處在試驗前就存在受力裂縫，裂縫的存在使加載后砼應變能得以釋放，此時進行砼表面應變測量往往沒有工程意義，但可以根據(jù)實測應變值推算裂縫處的受力和擴展狀況。

1.2.6 試驗荷載的加載和控制

靜載試驗一般采用車輛加載或重物加載，加載級數(shù)根據(jù)加載的總荷載量和最小荷載增量確定，但即使受條件限制，至少也應分成3級施加。加載過程最好采用每級加載后卸載的方法，以準確測量每一級荷載對應的變形。但這種方法加載時間長，嚴重影響試驗效率，目前大多采用逐級加載、達到最大荷載后再逐級卸載的方法。施加荷載的準確性是影響靜載試驗結果的重要因素，無論采用何種方法加載，稱量誤差最大不得超過5%。若使用車輛加載，裝載物在車廂內(nèi)平整放置，采用稱重臺或便攜軸重儀進行稱重，并逐個記錄各車的編號、車重、軸重和軸距。若使用重物加載，應分別稱量記錄各級荷載量。使用體積估算加載物重量的方法在試驗中往往不可靠，若使用重物加載而又不便進行稱重，可使用壓力傳感器測量空心板的重量。試驗開始前，宜先進行預加載，使荷載與變形關系趨于穩(wěn)定，還可測試全部檢測儀器是否工作正常。

1.2.7 支點位移

靜載試驗中往往忽略支點處位移的測量。但對于支點處支撐條件不良的情況，必須進行支座下沉量、墩臺沉降量測量。若加載過程中出現(xiàn)偏心加載或梁體扭轉，宜增加測點以消除影響。如單梁靜載試驗往往在預制梁場進行，若支點處的支撐條件較差，加載過程中梁體通常會出現(xiàn)不同程度的扭轉或轉動，需在各控制斷面兩側布置撓度測點，以便在數(shù)據(jù)處理時進行修正。

1.2.8 脈動測試

在橋梁結構脈動試驗中，要根據(jù)橋梁類型、跨徑規(guī)模和計算結果合理確定傳感器布置方案并選擇適宜的參考點。中小跨徑橋梁的剛度通常較大，測試中一般著重關注豎向振動特性。結構前5階振型中以縱向彎曲振型和扭轉振型為主，在模態(tài)測試中若要采集和分析結構的扭轉振動情況，需縱向布置兩列測點。對于拼裝結構或有可能發(fā)生局部振動的結構，測點應布置在主梁的上方，以減小局部振動的影響。此外，宜按跨徑四分點等分布置，固定參考點應避開振型相位反轉點，且采樣頻率應結合理論計算結果取10倍以上的最高有用信號頻率。

1.3 數(shù)據(jù)的處理

1.3.1 靜載試驗

靜載試驗數(shù)據(jù)分析中主要參數(shù)包括荷載試驗效率、各測點的位移和應變校驗系數(shù)、各測點的相對殘余撓度和應變及各種試驗曲線。對于裝配式結構，通常要分析橫向分布系數(shù)；對于整體式結構，需分析偏載系數(shù)等。

對于荷載試驗效率，盡管在試驗中會對荷載進行控制，但實際加載量和原設定的方案有一定偏差，需根據(jù)加載量、加載位置等重新進行計算。在撓度分析時，必須區(qū)分總撓度、彈性撓度和殘余撓度的關系，通常撓度數(shù)據(jù)處理時需剔除支點沉降的影響，應變數(shù)據(jù)處理時要進行溫度影響修正。靜載試驗分析通常要繪制實測變位與荷載的關系曲線、控制斷面的撓度(應變)分布圖、沿縱橋向撓度分布圖、截面應變沿高度分布圖等，據(jù)此對試驗結果進行評價，找出異常點、確定結構受力是否處于彈性階段等。如通過預制空心板跨中斷面各測點的撓度分布圖能較直觀地分析各片空心板的橫向分布狀況，判斷是否出現(xiàn)較明顯的單板受力。

若一個控制斷面上布置多個實測點，而結構的橫向聯(lián)系又是可靠的，可使用平均校驗系數(shù)對結構進行分析，也可使用平均撓度值繪制撓度和荷載關系曲線。但若出現(xiàn)橫向聯(lián)系較差或明顯的單板受力，則平均校驗系數(shù)的分析通常不可靠。靜力試驗數(shù)據(jù)分析時需對裂縫寬度或深度等進行觀測，當裂縫較多時，至少要對關鍵斷面或有代表性的位置裂縫進行分析和判斷。

1.3.2 動載試驗

通過脈動、行車和制動試驗可獲取位移、應力或加速度等各種振動信號的時間歷程曲線，常用的試驗數(shù)據(jù)分析處理方法有時域分析和頻域分析。時域分析直接對時程曲線進行分析，可得出振幅、阻尼比和沖擊系數(shù)等參數(shù)；頻率分析把時域信號通過傅里葉變換變換為頻域信號，得到振動能量按頻率的分布狀況，從而確定結構的頻率及其分布特性。

對于中小跨徑等剛度較大的橋梁，前3～5階固有頻率在動力分析時最為關注，是評價結構整體剛度的最重要指標。在結構模態(tài)分析時，固有頻率較易獲取，但僅靠單個測點獲取的固有頻率并不可靠，通常需結合固有振型和阻尼比綜合確定。橋梁結構的實測頻率一般大于理論計算值，若出現(xiàn)實測頻率小于理論計算值的情況，表明橋梁實際剛度比理論值小，結構存在嚴重開裂等問題，需特別關注。

對于裝配式中小跨徑橋梁，通過結構模態(tài)振型和振幅的分析可對結構橫向聯(lián)系使用狀況進行評價，通過結構阻尼比的變化可對結構邊界條件、結構材料阻尼特性的改變進行分析判斷。沖擊系數(shù)優(yōu)先采用橋面無障礙行車下的動撓度時程曲線確定，對實測沖擊系數(shù)與設計值進行對比，但不能作為承載力評定依據(jù)，即使出現(xiàn)實測沖擊系數(shù)大于設計值的情況，也僅能作出橋梁結構的行車性能差和橋面平整度不良的評價。

2 關于現(xiàn)階段橋梁荷載試驗的思考

2.1 靜、動載試驗數(shù)據(jù)的相關性問題

對于同一結構，靜載和動載試驗采用不同的測試方法進行整體剛度或強度評定。靜載試驗中的撓度數(shù)據(jù)從整體上反映結構的總體剛度，應變數(shù)據(jù)反映控制斷面的整體強度情況。動載試驗中的模態(tài)測試主要也是從整體上反映結構的整體剛度狀況。從經(jīng)典的梁理論來看，靜力學和模態(tài)分析結果應存在相關性。對于橋梁結構，若材料參數(shù)、結構尺寸、邊界條件等考慮較全面和準確，其靜、動載測試數(shù)據(jù)分析結論應在一定程度上相吻合，如理論撓度值遠大于實測彈性撓度，理論頻率值也應明顯大于實測頻率，這種吻合性在大跨徑橋梁的靜動載試驗分析時體現(xiàn)得較好，而對于中小跨徑橋梁這種相關性或一致性較差。在荷載試驗進行前，首先要對有限元計算模型進行合理簡化，盡量保證計算模型準確有效；試驗過程中確保各操作環(huán)節(jié)規(guī)范；試驗后可根據(jù)動測結果對靜載模型進行合理優(yōu)化，確保試驗數(shù)據(jù)能真正反映結構的真實受力狀況。

2.2 靜載試驗加載量

針對不同的試驗目的，靜載試驗的加載量有所不同。若加載量為標準荷載(考慮沖擊系數(shù))，該加載量相對較小，結構一般處于彈性階段，這種靜載試驗一般以驗證結構的正常使用性能為目的；若加載量為設計規(guī)范規(guī)定的極限承載能力，結構一般會出現(xiàn)受力裂縫，砼和鋼筋會進入塑性階段，這種靜載試驗一般以驗證有效預應力和承載能力為目的；若加載量繼續(xù)增大，以結構完全破壞為目的，這種試驗一般是驗證結構達到失效的荷載。在實際工程中，靜載試驗以標準荷載作為加載值，這種加載方式能反映結構的承載能力和理想狀況的差別，且不會對正常結構造成損傷，缺點是無法對有效預應力等作出評價。在確定試驗荷載時，必須對試驗荷載下結構的主筋、砼應力狀態(tài)和裂縫寬度等指標進行復核，確保試驗過程中結構安全性在可控范圍內(nèi)。

2.3 推廣單梁靜載試驗的必要性

根據(jù)上述靜、動載試驗影響因素分析，成橋狀態(tài)的靜載試驗影響因素較多，橋面鋪裝、鉸縫、墩頂連續(xù)等均會在一定程度上對試驗結果造成影響。目前裝配式梁橋依然是中國應用最廣泛的橋梁結構類型，預制構件的施工質量也參差不齊，需加大對空心板、T梁和小箱梁等預制構件的質量控制。預制構件受力模型簡單，影響因素較少，便于對材料特性、有效預應力等影響承載能力的因素作出準確評價。因此，在施工期的質量控制環(huán)節(jié)，對于裝配式結構，單梁試驗相比成橋試驗更具工程意義，建議推廣單梁靜載試驗。

3 結語

文中考慮中小跨徑橋梁荷載試驗實施的相關規(guī)定及實際實施過程中遇到的問題，對中小跨徑橋梁荷載試驗內(nèi)容及試驗結論的關鍵影響因素等進行分析，并對現(xiàn)階段中小跨徑橋梁荷載試驗的部分關鍵問題如靜動載試驗數(shù)據(jù)相關性問題、靜載試驗加載量及單梁靜載試驗推廣的必要性等進行探索，為橋梁荷載試驗的質量提升及試驗過程的進一步細化等提供參考。