蹇鋼
(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司,貴州貴陽(yáng) 550000)
隨著基礎(chǔ)建設(shè)工程數(shù)量的不斷增加,我國(guó)公路橋梁工程建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大,而一些早期建設(shè)的公路橋梁逐漸進(jìn)入老齡化階段,因此必須開(kāi)展荷載試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量檢查,進(jìn)而采用科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)措施對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù),保證早期公路橋梁的運(yùn)輸服務(wù)功能不受影響。通過(guò)荷載試驗(yàn),可以對(duì)公路橋梁的承載能力進(jìn)行分析與檢查,這是我國(guó)現(xiàn)階段保證公路橋梁質(zhì)量,維護(hù)交通行業(yè)運(yùn)輸安全的關(guān)鍵措施與重要手段。
首先,需要對(duì)一些新建的大跨度公路橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。由于這類(lèi)公路橋梁承擔(dān)的應(yīng)力較大,且使用了全新的建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料和建筑工藝,因此有必要通過(guò)荷載試驗(yàn)來(lái)分析其荷載能力。其次,需要對(duì)通行特種車(chē)輛的新舊公路橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。由于這類(lèi)公路橋梁需要承載重量大的特種車(chē)輛,為了確保公路橋梁的安全運(yùn)轉(zhuǎn),需要分析日常使用期間的最大荷載量,開(kāi)展公路橋梁荷載試驗(yàn)。再次,需要對(duì)剛剛修復(fù)、改建的舊公路橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。為了驗(yàn)證修復(fù)、改建后公路橋梁的效果和質(zhì)量,需要進(jìn)行驗(yàn)收和等級(jí)鑒定,分析并確認(rèn)公路橋梁的荷載能力。最后,對(duì)于年久失修,缺乏以往設(shè)計(jì)、施工數(shù)據(jù)的舊公路橋梁,為了更好地判斷其是否能承載對(duì)應(yīng)的荷載要求,也需要開(kāi)展荷載試驗(yàn)工作[1]。
公路橋梁荷載試驗(yàn)主要分為兩種類(lèi)型,分別是靜載試驗(yàn)與動(dòng)載試驗(yàn)。
首先,靜載試驗(yàn)的主要對(duì)象是針對(duì)一些外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)施工質(zhì)量較差,并且存在明確施工缺陷的公路橋梁。在開(kāi)展靜載試驗(yàn)的過(guò)程中,需要對(duì)不同的橋梁類(lèi)型進(jìn)行分析,以選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸绞?。例如,?duì)于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的橋梁,主要是檢測(cè)主梁跨中截面正彎矩、撓度或梁端斜截面剪力。對(duì)于連續(xù)梁的梁橋結(jié)構(gòu),需要檢測(cè)截面彎矩及剪力,查看撓度是否適中。對(duì)于懸臂梁的橋梁結(jié)構(gòu),需要檢測(cè)截面、負(fù)彎矩以及梁端剪力等,查看撓度與彎矩是否符合要求。至于目前比較常見(jiàn)的鋼架橋,則需要檢測(cè)截面以及撓度變化量等。
其次,進(jìn)行靜載試驗(yàn)之前,需要確定試驗(yàn)的荷載量。第一,要對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)中荷載最低的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。
第二,根據(jù)荷載規(guī)范和實(shí)際使用情況,確定適當(dāng)?shù)暮奢d組合。常見(jiàn)的荷載包括自重荷載、活載(如車(chē)輛、行人)、溫度荷載、風(fēng)荷載等。荷載組合的確定需根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)需求,以及可能出現(xiàn)的不同工況進(jìn)行估算。
第三,為確保試驗(yàn)過(guò)程中橋梁的安全性,通常會(huì)在設(shè)計(jì)荷載的基礎(chǔ)上增設(shè)安全系數(shù)。這樣可以在試驗(yàn)過(guò)程中模擬實(shí)際使用情況下的額外荷載,確保橋梁在試驗(yàn)期間不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)或破壞[2]。
基于以上分析和計(jì)算結(jié)果,制訂具體的荷載試驗(yàn)方案,包括施加荷載的位置、大小、持續(xù)時(shí)間等。圖1為橋梁開(kāi)展靜載試驗(yàn)的示意圖。
圖1 橋梁靜載試驗(yàn)示意圖(單位:cm)
在圖1 所示的橋梁靜載試驗(yàn)過(guò)程中,分別針對(duì)不同的項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。
最后,需要分析評(píng)價(jià)靜載試驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果。在公路橋梁結(jié)構(gòu)中,主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)定為校驗(yàn)系數(shù)n。通常情況下,校驗(yàn)系數(shù)n 是固定的,也就是靜載試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的比值是基本固定的。如果n=1,說(shuō)明靜載試驗(yàn)值與理論計(jì)算值完全符合;如果n<1,說(shuō)明公路橋梁結(jié)構(gòu)性能較好,且存在安全余量;如果n>1,則說(shuō)明公路橋梁工作性能較差。不同的公路橋梁結(jié)構(gòu)具有不同的校驗(yàn)系數(shù),例如,性能達(dá)標(biāo)的鋼筋混凝土板橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)為0.2~0.4,撓度校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)為0.2~0.5。此外,生活中較為常見(jiàn)的鋼筋混凝土梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土橋等公路橋梁結(jié)構(gòu),這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)各不相同。
為了分析公路橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能,需要考慮公路橋梁的動(dòng)力特性,這是一種重要的評(píng)判方式。在實(shí)際使用過(guò)程中,車(chē)輛通行和風(fēng)力等動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生微小的振動(dòng),抵抗振動(dòng)的能力就是動(dòng)力特性。動(dòng)載試驗(yàn)可以對(duì)橋梁的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)橋梁振動(dòng)頻率和振動(dòng)方式進(jìn)行考量,可以更加準(zhǔn)確地識(shí)別出橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生的各種損傷情況。與靜載試驗(yàn)相比,動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)芨訙?zhǔn)確地把握橋梁當(dāng)前的實(shí)際性能狀態(tài)。但是,目前的技術(shù)僅能對(duì)橋梁振動(dòng)頻率進(jìn)行檢測(cè),難以準(zhǔn)確測(cè)量橋梁的振動(dòng)方式。
公路橋梁動(dòng)載試驗(yàn)主要分為以下三種方式:環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)、車(chē)輛沖擊試驗(yàn)和激振器強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)[3]。
2.2.1 環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)
環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)與附近的激勵(lì)源類(lèi)別及特性之間有著緊密的聯(lián)系。不同的激勵(lì)源產(chǎn)生的頻帶范圍和頻率幅度各不相同。例如,由于車(chē)輛交通引發(fā)的振動(dòng),幅度通常不會(huì)超過(guò)0.2m/s,頻帶范圍在80Hz 以下,而風(fēng)荷載帶來(lái)的頻帶范圍則處于10Hz 以下。不同荷載帶來(lái)的影響會(huì)隨著橋梁所處位置的不同而發(fā)生變化,與諸多影響因素緊密相連。因此,在分析過(guò)程中,可以將環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)信號(hào)簡(jiǎn)化為隨機(jī)白噪聲。這樣可以對(duì)結(jié)構(gòu)在環(huán)境隨機(jī)脈動(dòng)激勵(lì)下產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,以得到結(jié)構(gòu)的頻率、振動(dòng)類(lèi)型和阻尼大小等。這種試驗(yàn)方式無(wú)需大型設(shè)備就能夠起到檢測(cè)效果,在一些超大跨度橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面有重要價(jià)值。
2.2.2 車(chē)輛沖擊試驗(yàn)
車(chē)輛沖擊試驗(yàn)可按車(chē)輛激勵(lì)方式進(jìn)行劃分,分為跑車(chē)試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)和跳車(chē)試驗(yàn)。在公路橋梁運(yùn)行過(guò)程中,車(chē)輛荷載是主要荷載之一。在試驗(yàn)中模擬車(chē)輛對(duì)公路橋梁造成的各種行為影響,能夠更好地把握公路橋梁的實(shí)際承載能力和工作水平。公路橋梁的工作質(zhì)量主要取決于車(chē)輛與橋梁之間發(fā)生的反應(yīng),彼此之間的機(jī)理相對(duì)較為復(fù)雜,通過(guò)沖擊試驗(yàn),能夠直接呈現(xiàn)出結(jié)果,省略計(jì)算過(guò)程[4]。圖2 為某大橋車(chē)輛沖擊試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況。
圖2 車(chē)輛沖擊試驗(yàn)
2.2.3 激振器強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)
激振器強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)需要的儀器數(shù)量比較多,并且在試驗(yàn)過(guò)程中禁止車(chē)輛通行。同時(shí),激振器強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)需要的周期也比較長(zhǎng),因此這一檢測(cè)方式通常應(yīng)用于新橋梁試運(yùn)行期間。激振器強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)是通過(guò)運(yùn)作激振器引發(fā)橋梁的大幅度振動(dòng),其檢測(cè)的參數(shù)往往較為全面,檢測(cè)精確度也比較高,使用這種方式能夠更加準(zhǔn)確地把握橋梁的動(dòng)力特征。這種檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固可起到促進(jìn)作用。
無(wú)論進(jìn)行靜載試驗(yàn)還是動(dòng)載試驗(yàn),都包括三個(gè)步驟:首先要準(zhǔn)備試驗(yàn),完成相應(yīng)的處理工作;其次是推進(jìn)試驗(yàn);最后是進(jìn)行試驗(yàn)后期的有效控制。接下來(lái)對(duì)這三個(gè)方面展開(kāi)研究,討論試驗(yàn)要點(diǎn)。
試驗(yàn)方案的合理性與完善程度關(guān)系到是否能展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的整體性能。此外,合適的加載工況可以極大地提升現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)效率。試驗(yàn)前需對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)圖紙、工程資料進(jìn)行詳細(xì)分析,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況、環(huán)境、試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行考量。確定試驗(yàn)方案后,現(xiàn)場(chǎng)施工人員可根據(jù)方案對(duì)施工點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整與測(cè)試[5]。
由于荷載試驗(yàn)需要使用車(chē)輛來(lái)模擬荷載,必須提前與加載車(chē)輛進(jìn)行聯(lián)系,避免影響試驗(yàn)的順利開(kāi)展。若公路橋梁的交通流量較大,需與當(dāng)?shù)亟煌ü芾聿块T(mén)及時(shí)溝通,制訂導(dǎo)行方案,避免造成嚴(yán)重?fù)矶?。若在夜晚或溫度較低的環(huán)境下進(jìn)行荷載試驗(yàn),需準(zhǔn)備照明設(shè)備與保溫設(shè)備,保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。此外,試驗(yàn)過(guò)程中需對(duì)使用的所有設(shè)備進(jìn)行連接與測(cè)試,以確保設(shè)備狀態(tài)良好且電源充足,可隨時(shí)投入使用[6]。
在荷載試驗(yàn)正式開(kāi)始前,需結(jié)合安全施工基本要求,對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與完善,確保準(zhǔn)備工作的全面性和完善性。針對(duì)突發(fā)情況,需積極分析,制訂合理的工作模式與方案,這對(duì)試驗(yàn)的順利開(kāi)展具有重要意義。
完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后,進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)節(jié)。在現(xiàn)場(chǎng)指揮過(guò)程中,涉及眾多工作人員及不同工種,因此需保證人員間的及時(shí)溝通與協(xié)調(diào),服從統(tǒng)籌安排。試驗(yàn)期間,合理的指揮與分工對(duì)提高工作效率至關(guān)重要。尤其在大跨度橋梁檢測(cè)過(guò)程中,檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng),明確各自的任務(wù)能保證工作順利進(jìn)行。
試驗(yàn)過(guò)程中,需按照試驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要工作內(nèi)容,將不同工作環(huán)節(jié)的責(zé)任劃分給不同的工作人員?,F(xiàn)場(chǎng)工作人員要充分交流、及時(shí)溝通,了解自己承擔(dān)的項(xiàng)目及任務(wù)。這樣可以更輕松地開(kāi)展試驗(yàn),處理各項(xiàng)工作方案,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,完成理論數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,對(duì)異常數(shù)據(jù)或情況及時(shí)做出判斷與調(diào)整,提升檢測(cè)效率。此外,現(xiàn)場(chǎng)工作人員還要對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)記錄,以保證數(shù)據(jù)的完整性[7]。
完成檢測(cè)任務(wù)后,荷載試驗(yàn)工作尚未結(jié)束,需對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌分析,出具荷載試驗(yàn)報(bào)告,得出科學(xué)完善的公路橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)論。這一過(guò)程中,工作人員需充分檢查數(shù)據(jù)是否合理,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析,以便得出最客觀的數(shù)據(jù)報(bào)告內(nèi)容,對(duì)橋梁的性能進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià),這對(duì)公路橋梁荷載能力的評(píng)估具有重要意義。
首先,需要對(duì)試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
其次,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估,判斷其是否符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
再次,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)橋梁損傷進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能存在的缺陷和損傷。除此之外,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬,深入分析荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響,了解橋梁在不同工況下的受力特點(diǎn)和變形情況。
最后,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果,對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行評(píng)估,并提出必要的加固設(shè)計(jì)方案,以確保橋梁的安全運(yùn)行。另外,總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果,編寫(xiě)詳細(xì)的技術(shù)報(bào)告,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的問(wèn)題和改進(jìn)方向提出專(zhuān)業(yè)建議,為后續(xù)的工程實(shí)施提供依據(jù)。
公路橋梁荷載試驗(yàn)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作,且對(duì)精細(xì)化要求比較高,無(wú)論是荷載試驗(yàn)的準(zhǔn)備還是實(shí)際開(kāi)展荷載試驗(yàn)的流程,都需要得到優(yōu)化與改進(jìn),工作人員要具備完善的理論知識(shí)以及豐富的工作經(jīng)驗(yàn),以更高效地完成荷載試驗(yàn)工作,為公路橋梁的安全性做出實(shí)際貢獻(xiàn)。