王德魁

(大連市航運(yùn)和物流發(fā)展服務(wù)中心 大連市 116021)

0 引言

橋梁檢測(cè)中的靜載試驗(yàn)是判定橋梁質(zhì)量與性能的有效方法之一，通過(guò)荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變或變位與計(jì)算應(yīng)變或變位的對(duì)比確定橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載能力檢算系數(shù)[1]，從而評(píng)價(jià)橋梁的質(zhì)量與安全性，其中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)撓度的測(cè)量可以直觀地反應(yīng)結(jié)構(gòu)性能，而其測(cè)量精度對(duì)橋梁狀況的評(píng)定會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響。

常用的橋梁撓度測(cè)量方法主要分為如下幾種：全站儀測(cè)量法、百分表測(cè)量法、精密水準(zhǔn)法、靜力水準(zhǔn)測(cè)量法、GPS測(cè)量法等，不同測(cè)量方法的測(cè)量精度、測(cè)量速度、試用條件不同。實(shí)際使用中需根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果、規(guī)范規(guī)定以及實(shí)際的工作環(huán)境等因素進(jìn)行選定。

1 撓度測(cè)量原理及精度

不同的撓度測(cè)量方法及原理不相同，下面對(duì)上述六種撓度測(cè)量方法精度、原理及適用條件分別進(jìn)行闡述和分析。

1.1 全站儀測(cè)量法

全站儀測(cè)量實(shí)際是利用“光電測(cè)距三角高程法”對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)撓度進(jìn)行測(cè)量，其適用原理如下：

Δ=S1sinα1-S2sinα2

其中：S1、S2為斜距；α1、α2為豎直角。

全站儀通過(guò)測(cè)量站位點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間的水平距離和天頂距(或高度角)，進(jìn)而求得兩點(diǎn)之間的高度差。使用全站儀進(jìn)行撓度測(cè)量時(shí)，其誤差主要來(lái)源于兩個(gè)方面：

(1)人為因素：對(duì)于梁高較低，橋面寬度較大的橋梁，固定全站儀后，夾角α較小。因此在每次加載后進(jìn)行測(cè)量時(shí)很難準(zhǔn)確定位到觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此全站儀一般在橋梁高度較大的條件下使用。

(2)環(huán)境因素：大氣折光現(xiàn)象。在進(jìn)行三角高程測(cè)量過(guò)程中，大氣折光變化會(huì)對(duì)撓度測(cè)量值產(chǎn)生影響。因此在使用全站儀進(jìn)行撓度測(cè)量時(shí)，一般選擇夜間操作，此時(shí)大氣狀態(tài)相對(duì)比較穩(wěn)定。

1.2 百分表測(cè)量法

百分表是一種比較傳統(tǒng)的撓度測(cè)量方法。在進(jìn)行墩(臺(tái))頂撓度測(cè)量時(shí)，可利用鐵餅直接將百分表固定在蓋梁頂部，感應(yīng)器與梁底測(cè)點(diǎn)對(duì)接即可；當(dāng)對(duì)跨中撓度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需通過(guò)鋼絲線懸掛重錘，重錘底部與百分表感應(yīng)器對(duì)接。當(dāng)測(cè)量精度較高時(shí)還可以選用千分表。百分表進(jìn)行撓度測(cè)量的原理是，通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備將測(cè)點(diǎn)撓度值放大，并將直線往返運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成指針的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而顯示其位移數(shù)值。使用該方法進(jìn)行撓度測(cè)量時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格較低，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。其誤差主要包括如下兩方面：

(1)人為誤差：百分表測(cè)量撓度需通過(guò)人工讀數(shù)，因此會(huì)產(chǎn)生人為誤差。

(2)環(huán)境因素：當(dāng)利用鋼絲線懸掛重錘進(jìn)行測(cè)量時(shí)，受風(fēng)影響較大，而且梁高越高影響越明顯，因此該方法適合梁高較低的情況下使用。

1.3 精密水準(zhǔn)法

精密水準(zhǔn)儀是一種在橋面上進(jìn)行撓度測(cè)量的儀器，其測(cè)量原理是首先架設(shè)水準(zhǔn)儀，設(shè)立一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)位置豎立水準(zhǔn)尺，通過(guò)測(cè)量測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差來(lái)推算撓度變化，該方法測(cè)量速度快，計(jì)算簡(jiǎn)便。其測(cè)量誤差主要包括如下三方面：

(1)人為誤差：需通過(guò)人工讀數(shù)，因此會(huì)產(chǎn)生人為誤差。

(2)在進(jìn)行加載卸載過(guò)程中水準(zhǔn)儀架設(shè)位置如果受到擾動(dòng)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

(3)對(duì)于撓度變化較大或跨徑較大的橋梁，水準(zhǔn)儀架設(shè)位置與測(cè)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)，或需通過(guò)多次轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

1.4 靜力水準(zhǔn)測(cè)量法

靜力水準(zhǔn)測(cè)量法是一種測(cè)量精度較高，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠的測(cè)量方法，其測(cè)量精度可達(dá)到±0.1mm，其主要原理為連通管，利用連通管將各測(cè)點(diǎn)連接起來(lái)，以觀測(cè)各測(cè)點(diǎn)間高程的相對(duì)變化。該方法已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和處理，測(cè)量時(shí)可進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。該方法測(cè)量速度快，但造價(jià)高，安裝過(guò)程較為繁瑣。其量程一般小于20cm，因此不適用于撓度變化較大的橋梁。

1.5 GPS測(cè)量法

GPS測(cè)量法分為靜態(tài)測(cè)量、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量三種測(cè)量模式，不同的測(cè)量模式，其測(cè)量精度和測(cè)量速度存在較大差別，一般靜態(tài)測(cè)量的精度最高，可達(dá)到±1mm，但其測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，一般需1h以上；而準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度僅為±1cm，測(cè)量精度較低。因此，對(duì)于大撓度橋梁的檢測(cè)，由于撓度值較大，應(yīng)用GPS觀測(cè)還是可以考慮的[1]。

2 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是一種評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)及安全性能的檢測(cè)手段。橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)是按照橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，根據(jù)荷載的最不利位置，布置靜載，或者根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的控制內(nèi)力確定荷載及其位置，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載[2]，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量及分析，進(jìn)而評(píng)定結(jié)構(gòu)的性能。

2.1 靜載試驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)理論計(jì)算得出加載方案，采用配重車(chē)加載方法對(duì)橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)[3]，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和記錄。本次靜載試驗(yàn)主要包括邊跨正彎矩工況、中跨正彎矩工況和支點(diǎn)負(fù)彎矩工況，測(cè)試內(nèi)容主要包括：

(1)結(jié)構(gòu)的豎向撓度，主要為主梁跨中撓度，每跨跨中選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，并取得最大的撓度及變形值，同時(shí)觀測(cè)支座下沉值[4]。

(2)結(jié)構(gòu)控制截面的最大應(yīng)力(應(yīng)變)[5]。

2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)準(zhǔn)則、試驗(yàn)依據(jù)，確定本次檢測(cè)及試驗(yàn)?zāi)康娜缦拢?/p>

(1)通過(guò)測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形和內(nèi)力，確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際性能，如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(2)橋梁運(yùn)營(yíng)管理提供基本信息或參考依據(jù)，為橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)維修，積累技術(shù)資料。

(3)確保橋梁承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)。

(4)采用不同方式進(jìn)行靜載試驗(yàn)撓度數(shù)據(jù)采集，處理之后分別與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，為靜載試驗(yàn)撓度測(cè)量?jī)x器設(shè)備的選擇提供參考。

2.3 儀器設(shè)備

(1)應(yīng)變測(cè)試儀：應(yīng)變計(jì)、橋梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。利用該儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線采集。

(2)撓度測(cè)試儀器：全站儀、百分表、千分表、精密水準(zhǔn)儀、靜力水準(zhǔn)，分別采用四種方式進(jìn)行撓度數(shù)據(jù)的采集。

(3)裂縫發(fā)展情況測(cè)量?jī)x器：裂縫卡片、裂縫測(cè)寬儀。

2.4 理論計(jì)算

利用有限元分析軟件，在不考慮橋面鋪裝中瀝青和混凝土共同受力的情況下，以設(shè)計(jì)活載作用下計(jì)算得到的內(nèi)力以及應(yīng)力、撓度作為加載中的控制效應(yīng)進(jìn)行控制。在計(jì)算模型中對(duì)計(jì)算模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使模型能真正反映橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀[6]。以39t標(biāo)準(zhǔn)三軸自卸車(chē)作為加載物制定加載方案。根據(jù)《公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)程》(JTG/T 21—2011)條文8.1.2的規(guī)定，靜力試驗(yàn)荷載可按控制內(nèi)力、應(yīng)力或變位等效原則確定。靜載試驗(yàn)效率介于0.95～1.05之間[7](1.0為最佳加載效率)。

2.5 連續(xù)梁橋靜載試驗(yàn)撓度測(cè)點(diǎn)布置

在進(jìn)行T梁靜載試驗(yàn)時(shí)需在跨中每片T梁底部設(shè)置撓度觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)需測(cè)量墩頂處撓度變化情況，以兩者撓度變化差值作為主梁跨中最終的加載撓度，如圖1～圖3所示為撓度測(cè)點(diǎn)布置情況。

圖1 主梁跨中撓度測(cè)點(diǎn)縱向布置圖

圖2 跨中撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 支點(diǎn)撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

2.6 靜載試驗(yàn)加載方法

本次靜載試驗(yàn)分為四級(jí)加載，加載效率分別為：50%、70%、90%和100%，卸載為一級(jí)。為控制加載試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)殘余變形對(duì)試驗(yàn)的可能影響，待靜力荷載試驗(yàn)完全加載到位后，應(yīng)將試驗(yàn)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉并持續(xù)至少5min，待試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定后現(xiàn)場(chǎng)記錄，將卸載與緊鄰的加載時(shí)間間隔控制在5min內(nèi)[8]。在進(jìn)行正式加載之前，需先進(jìn)行預(yù)加載，待穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形等情況，并確保儀器設(shè)備的能夠正常運(yùn)行，然后再進(jìn)行正式加載。如圖4所示為靜力加載時(shí)采用的加載車(chē)。

圖4 三軸自卸車(chē)加載現(xiàn)場(chǎng)照片

2.7 連續(xù)T梁靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)本連續(xù)T梁建設(shè)的相關(guān)要求、標(biāo)準(zhǔn)以及荷載試驗(yàn)規(guī)范，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)(應(yīng)變、撓度、裂縫發(fā)展情況)與控制指標(biāo)的對(duì)比，對(duì)本次靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以確定該橋梁是否滿足安全運(yùn)營(yíng)要求。對(duì)本次靜載試驗(yàn)采用四種方法對(duì)主梁撓度進(jìn)行測(cè)量，如表1所示為第54孔跨中四級(jí)加載后撓度的理論值、實(shí)測(cè)值以及加載效率。

表1 四級(jí)加載主梁跨中撓度結(jié)果表 mm

3 結(jié)論

(1)對(duì)于文中涉及到的橋梁，由于其橋下凈空相對(duì)較小，橋下地面平整，適用百分表測(cè)量法，其測(cè)量精度可達(dá)±0.01mm，當(dāng)對(duì)測(cè)量精度要求較高時(shí)，還可以使用千分表，其測(cè)量精度可達(dá)±0.001mm。利用“百分表測(cè)量法”實(shí)測(cè)值對(duì)其他幾種方法進(jìn)行校核可發(fā)現(xiàn)，“靜力水準(zhǔn)測(cè)量法”測(cè)量值較準(zhǔn)確，而全站儀和精密水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)果存在一定偏差。

(2)靜力水準(zhǔn)法測(cè)量精度較高，而且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)采集。當(dāng)橋梁撓度變化相對(duì)較小，且滿足靜力水準(zhǔn)儀器安裝條件時(shí)，可采用該方法進(jìn)行撓度觀測(cè)。

(3)對(duì)于大跨度橋梁，由于一般其橋下凈空較高，且在進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)撓度變化較大，可采用全站儀觀測(cè)，其測(cè)量精度可以滿足要求，但測(cè)量速度較慢。

(4)撓度測(cè)量是靜載試驗(yàn)中反映橋梁結(jié)構(gòu)性能即安全性的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，采用不同的方法進(jìn)行測(cè)量，其使用方法、適用條件、觀測(cè)精度以及測(cè)量速度都存在較大的差別。因此在進(jìn)行橋梁檢測(cè)時(shí)需根據(jù)相關(guān)要求及實(shí)際工程進(jìn)行選取。