桂永旺 萬嬌

摘 要：橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣，在后期投入使用后可能因為偶然因素、超載超速車輛通行等原因出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)等問題，影響橋梁的正常使用。為檢測橋梁的各項指標(biāo)，相關(guān)部門需根據(jù)橋梁規(guī)模和特點(diǎn)規(guī)范開展荷載試驗，通過試驗結(jié)果來養(yǎng)護(hù)、維修橋梁。重點(diǎn)分析了橋梁檢測中荷載試驗的應(yīng)用要點(diǎn)，對橋梁檢測具有指導(dǎo)與借鑒價值。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測；荷載試驗；應(yīng)用

中圖分類號：U445? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）05-0098-03

0 引言

橋梁檢測在保障橋梁正常使用方面起到了至關(guān)重要的作用，荷載試驗則是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)承載力的最直接手段，可用試驗結(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，及時消除橋梁工程安全隱患。行業(yè)內(nèi)針對荷載試驗工作制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，各個橋梁檢測中都需根據(jù)自身情況，優(yōu)化荷載試驗流程，科學(xué)制定試驗方案，規(guī)范開展現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)分析整理工作，以獲得準(zhǔn)確的試驗結(jié)果。

1 橋梁檢測中荷載試驗簡介

荷載試驗應(yīng)用于橋梁工程能評估橋梁的安全性能。具體的試驗過程中，需對待測橋梁施加特定荷載，在此基礎(chǔ)上測定、分析橋梁結(jié)構(gòu)的各項力學(xué)性能指標(biāo)。通過這一數(shù)值準(zhǔn)確評估橋梁的運(yùn)行情況，判斷橋梁是否有質(zhì)量缺陷、安全隱患，并將試驗結(jié)果、評估結(jié)論作為橋梁交竣工驗收、加固改造等工作的依據(jù)。荷載試驗中一般要借助專業(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、動態(tài)參數(shù)采集設(shè)備、機(jī)電百分表等。荷載試驗依據(jù)加載類型，可分為靜載和動載兩種，荷載試驗對舊橋梁、改擴(kuò)建橋梁、加固橋梁與新建橋梁等都十分適用。

開展橋梁荷載試驗的意義體現(xiàn)在以下3個方面：①從整體上評估橋梁施工質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載能力能否滿足正常使用的要求，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，通過荷載試驗來評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驗證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，利用荷載試驗可判定新材料、新工藝是否符合橋梁的結(jié)構(gòu)要求。

2 荷載試驗在橋梁檢測中的應(yīng)用方法

2.1 靜載試驗方法

2.1.1 測點(diǎn)的選定

靜載試驗是橋梁荷載試驗最基本測試方法。在開展這一試驗時，需保障所選擇的測量點(diǎn)符合要求，一般可將測點(diǎn)設(shè)于有代表性的橋跨、易于完成測試過程的截面、外觀有缺陷或者易發(fā)生病害的橋跨。通過布設(shè)測點(diǎn)，可評估結(jié)構(gòu)局部受力情況以及整理受力情況。但考慮到每個橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式各有區(qū)別，試驗過程中應(yīng)注意加載截面與內(nèi)容。表1羅列了部分橋型主要測試工況及測試內(nèi)容。針對不同橋型，需嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求，科學(xué)設(shè)定測試工況，并選擇測試內(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

荷載試驗過程中，相關(guān)人員需注意試驗過程中不得損壞橋梁的整體性能。有關(guān)人員要計算設(shè)計荷載條件下橋梁控制截面的最不利內(nèi)力值，得到相應(yīng)的計算結(jié)果后，再依據(jù)前期所選定的加載方式計算控制截面的內(nèi)力?？刹捎闷嚰虞d或者水箱加載的方式。加載時，還需根據(jù)實際情況來調(diào)整加載位置、荷載大小，以確保試驗荷載計算值與最不利內(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荷載計算值與最不利內(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。試驗中需注意，試驗荷載加載計算方式有嚴(yán)格要求，控制截面影響線最為常用。計算時需保障加載過程中，在控制截面的試驗內(nèi)力值達(dá)到規(guī)定加載效率的情況下，其他截面的試驗內(nèi)力值不超過設(shè)計內(nèi)力值。

2.1.3 靜載試驗的數(shù)據(jù)分析與評價

當(dāng)按照相關(guān)規(guī)定完成了靜載試驗后，試驗人員需對試驗數(shù)據(jù)開展全面分析，以得到更為可靠的結(jié)論。

針對靜載試驗的數(shù)據(jù)分析與評價，校驗系數(shù)η為關(guān)鍵指標(biāo)，指的是橋梁在任一檢測位置靜載實際測試數(shù)值與理論數(shù)值的比值。在檢測過程中，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，該項指標(biāo)基本滿足要求；當(dāng)η＞1時，意味著該橋梁運(yùn)行中的安全風(fēng)險較大，繼續(xù)加載存在較大風(fēng)險，易出現(xiàn)事故，應(yīng)立即停止試驗加載，需及時開展原因分析，及時排除試驗方面的問題，若因結(jié)構(gòu)本身的缺陷需及時加固或改造。

2.2 動載試驗

橋梁運(yùn)行過程中振動是一個相對突出的問題，車輛荷載、風(fēng)荷載等都會引起振動。為此各類橋梁的設(shè)計、施工與養(yǎng)護(hù)中需重視車輛振動、其他動力荷載的影響。對橋梁的振動問題，可利用動載試驗來獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在橋梁中實施動載試驗時，要利用某種激振來引起橋梁的振動。在此過程中，檢測橋梁的固有頻率、阻尼比、動力沖擊系數(shù)、動力響應(yīng)等參數(shù)，通過處理和分析這些數(shù)據(jù)，來準(zhǔn)確評估橋梁的動力特性、動力響應(yīng)以及其他使用性能能否處于正常狀態(tài)。動載試驗主要包含以下3種類型。

2.2.1 環(huán)境脈動激勵試驗

動載試驗中的環(huán)境脈動激勵試驗十分重要，這一試驗與橋梁周圍的激勵源類型、特性有著緊密的聯(lián)系。在很多橋梁工程中，其周邊的激勵源無法確定，設(shè)置個別橋梁周圍的激勵源較多。為正常開展環(huán)境脈動激勵試驗，具體操作時，應(yīng)使環(huán)境脈動激勵輸入與隨機(jī)噪聲相接近，最終通過分析振動信號來得到相對可靠的結(jié)果。

2.2.2 強(qiáng)迫振動法

在利用強(qiáng)迫振動法開展動載試驗時，試驗人員需配備專門的激振裝置。在檢測過程中對橋梁施加一定的激振力，引起橋梁的振動，利用共振原理來分析橋梁的動力特點(diǎn)。當(dāng)在橋梁檢測中利用這一方法時，檢測精度基本可達(dá)到要求。采用這一試驗方法，相關(guān)人員能從整體上把握橋梁的結(jié)構(gòu)特性。但這一檢測方法下也存在一定的不足，就是有嚴(yán)格的試驗條件，為滿足試驗需求，需短暫中斷交通，且試驗耗時較長。

2.2.3 車輛沖擊試驗

車輛沖擊試驗在現(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、跳車和制動試驗3種。如在檢測過程中采用的是跑車試驗，需使車輛以不同速度行駛過試驗橋梁，引起橋梁的振動。在此試驗中的動力響應(yīng)最大頻率就是橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過這一試驗過程與結(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]。試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性與許多因素都有關(guān)，為提高試驗結(jié)果可靠性，試驗人員需嚴(yán)格遵循試驗標(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)計車輛荷載等級為城-A級（CJJ-98），中心樁號K1+130.57，建成于2004年，全長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)一個板式橡膠支座；下構(gòu)橋墩采用三柱式墩、橋臺為重力式U型橋臺。橋面鋪裝采用8 cm厚防水混凝土，兩橋臺處各設(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梁和墩臺裂縫修補(bǔ)、橫隔板粘貼鋼板加固、更換0#臺伸縮縫等。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)部門安排專人對該橋梁實施了定期檢測，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)可知，此橋梁在使用的過程中發(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，通過對典型裂縫進(jìn)行鉆芯檢測，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，個別T梁端部側(cè)面分布有斜向裂縫，全橋技術(shù)狀況評定結(jié)果為D級，橋梁的承載力等無法明確能否滿足正常通行要求。為精準(zhǔn)把握該橋梁工程的運(yùn)行和使用情況，相關(guān)部門需對該橋梁實施荷載試驗。

3.2 靜載試驗

3.2.1 計算分析

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

3.2.2 應(yīng)變撓度測試

應(yīng)變檢測是橋梁試驗檢測中的重點(diǎn)內(nèi)容，檢測過程中要配備電阻應(yīng)變片，并借助數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)來采集和分析數(shù)據(jù)。撓度測試也是靜載試驗的主要控制指標(biāo)，可采用光學(xué)測量設(shè)備或機(jī)電百分表進(jìn)行測試。本橋梁的應(yīng)力應(yīng)變檢測中，檢測對象為第1、2跨的主梁混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與檢測要求，單個截面總共布設(shè)有20個測點(diǎn)。

本橋梁的撓度檢測中，檢測對象為第1、2跨的跨中截面，安裝機(jī)電百分表，橫向共布設(shè)了10個撓度測點(diǎn)。相關(guān)人員在規(guī)范化檢測下得到了結(jié)果，依據(jù)數(shù)值分析，發(fā)生應(yīng)變及撓度實測值遠(yuǎn)超出計算值，校驗系數(shù)在加載效率達(dá)到60%時已接近1.0，同時控制截面附近梁體裂縫有新增現(xiàn)象。通過對測試現(xiàn)場進(jìn)一步分析，排除了理論計算及測試方面的問題，說明該橋梁的承載力偏低，在橋梁運(yùn)行中的安全風(fēng)險較大[3]。

3.2.3 綜合評定

依據(jù)檢測結(jié)果，在試驗過程溫度及風(fēng)速均穩(wěn)定的情況下，橋梁實際承載能力遠(yuǎn)低于設(shè)計值，混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及抗裂性能不能滿足要求，無法滿足城-A級荷載等級的通行條件。

3.3 動載試驗

3.3.1 測試方法

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

3.3.2 實測結(jié)果

通過對該橋?qū)崪y脈動信號的頻譜分析得到結(jié)構(gòu)自振頻率。自振特性實測結(jié)果匯總見表2。

3.3.3 綜合評定

通過脈動測試得到該橋?qū)崪y頻率，一階實測頻率為5.250 Hz，其實測頻率與理論計算頻率比值為0.932，表明橋跨結(jié)構(gòu)實際整體剛度小于理論剛度，與靜載試驗撓度測試結(jié)果相符。

3.4 荷載試驗

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

3.5 檢測結(jié)論與建議

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

針對該橋梁所存在的問題，有關(guān)部門在實際的施工中需注意以下4個方面：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，以通過這一處理方式來提升橋梁的荷載等級，為通行車輛提供更為安全、舒適的通行條件。②對現(xiàn)有橋梁墩臺鋼筋銹脹部位實施除銹處理，并根據(jù)實際需求及時修復(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)量或者安全問題，影響橋梁的使用，有關(guān)部門應(yīng)組織專人將這些部位的表層混凝土鑿除干凈，隨后通過植筋、外包混凝土的方式來加固，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

荷載試驗是橋梁檢測中最為常用的方式，當(dāng)前的橋梁工程領(lǐng)域，采用常規(guī)檢測手段無明確橋梁承載能力情況下，荷載試驗仍是最直接有效的手段。相關(guān)部門在橋梁檢測中應(yīng)立足橋梁本身，規(guī)范開展荷載試驗，通過荷載試驗結(jié)果的分析來評定橋梁結(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。

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