靜動載試驗在舊橋加固上的應(yīng)用

蒿景輝 仲 崗

（1.封丘縣農(nóng)村公路管理所，河南 封丘 453300；2.新鄉(xiāng)市農(nóng)村公路管理處 河南 新鄉(xiāng) 453000）

舊橋加固的目的，就是合理的對橋梁前期關(guān)鍵部位的病害進(jìn)行處理，以達(dá)到橋梁的設(shè)計荷載，從而以良好的狀態(tài)進(jìn)行工作?？梢詫蛄旱撵o動載試驗運用到舊橋加固項目上，來檢驗該橋梁的承載能力。橋梁荷載試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接加載測試的一項科學(xué)試驗工作，其目的是通過荷載試驗，了解結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實際工作狀態(tài)，綜合分析、判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力和使用條件。橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗。將加固后的橋梁進(jìn)行荷載試驗得到的數(shù)據(jù)與橋梁建模數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以看出橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和理論值的差別，從而對橋梁加固的效果進(jìn)行總體性的評價。

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，公路上存在了大量的危舊橋梁，不能夠適應(yīng)日趨繁重的交通，成熟的橋梁檢測手段可以及時發(fā)現(xiàn)危舊橋梁的技術(shù)狀況，并提出加固方案，對關(guān)鍵部位進(jìn)行加固處理，提高舊橋的服役年限。在舊橋加固前，對橋梁的檢測是至關(guān)重要的。由于橋梁的特珠性，只能采取非破壞性試驗，通常利用靜載試驗和動載試驗對橋梁的性能進(jìn)行測試。

1 橋梁靜載試驗

靜載試驗是指將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，測試結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力。

橋梁靜載試驗順利進(jìn)行的前提是橋梁結(jié)構(gòu)的考察和試驗準(zhǔn)備。這些工作包括技術(shù)資料的收集、橋梁現(xiàn)狀檢查、理論計算、試驗方案制訂、現(xiàn)場準(zhǔn)備等一系列工作。加載試驗與觀測是整個檢測工作的中心環(huán)節(jié)，內(nèi)容是在各項準(zhǔn)備工作就緒的基礎(chǔ)上，按照制定的試驗方案與程序，利用適宜的加載設(shè)備進(jìn)行加載，運用測試儀器對結(jié)構(gòu)受載后的各項指標(biāo)如撓度、應(yīng)變、裂縫寬度進(jìn)行觀測和記錄。分析總結(jié)階段是對原始測試資料進(jìn)行綜合分析的過程，原始測試資料包括大量的觀測數(shù)據(jù)、文字記載和圖片等，經(jīng)過分析處理后，對檢測結(jié)果做出科學(xué)的判斷與評價。

1.1 準(zhǔn)備工作

在荷載試驗正式進(jìn)行之前應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，對多孔橋跨且跨徑相同的橋梁，可以從中選擇1至3孔具有代表性的橋孔進(jìn)行加載試驗。選擇該孔時應(yīng)考慮以下因素：首先要選擇計算受力最不利的橋孔，其次要選擇缺陷病害較多的橋孔，最后要選擇便于布置測點和實施加載的橋孔。橋墩的選擇同橋孔的選擇程序基本相同。然后是腳手架和測試支架的搭設(shè)，腳手架要保證檢測人員的安全及操作方便，而測試支架則主要為安裝儀表做準(zhǔn)備，使得儀器讀數(shù)準(zhǔn)確，且不受外界影響。還應(yīng)該對加載位置進(jìn)行放樣，以便于加載試驗的順利進(jìn)行，如果加載工況較多，則要預(yù)先放樣，標(biāo)出不同加載工況時的荷載位置。

1.2 加載方案的確定

試驗工況的選擇應(yīng)反映橋梁結(jié)構(gòu)最不利受力狀態(tài)，一般參照截面內(nèi)力影響線進(jìn)行，確定兩三個主要的荷載工況。例如，簡支梁試驗荷載工況，主要工況為跨中最大正彎距工況，附加工況為L/4截面最大正彎距工況、支點最大剪力工況、橋墩最大豎向反力工況；連續(xù)梁橋試驗荷載工況，主要工況為主跨支點最大負(fù)彎矩工況、主跨跨中最大正彎距工況，附加工況為邊跨最大正彎距工況、主跨橋墩最大豎向反力工況、主跨支點最大剪力工況；無鉸拱試驗荷載工況，主要工況為拱頂最大正彎矩工況、拱腳最大負(fù)彎矩工況，附加工況為拱腳最大水平推力工況、L/4截面最大正彎矩和最大負(fù)彎矩工況；L/4截面正負(fù)撓度絕對值之和最大工況。

試驗荷載的確定。由于實際采用的試驗荷載與控制荷載有差別，為了保證靜載試驗效果，在選擇試驗荷載的大小和加載位置時采用靜載試驗效率進(jìn)行控制，按控制截面的最不利工作條件布置荷載，使控制截面達(dá)到最大試驗效率。一般的靜載試驗，荷載效率為0.8～1.05。

1.3 測點布置

主要測點布置不宜于過多，一般而言，主要測點的布置應(yīng)能夠控制結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力（或應(yīng)變）和最大撓度。一般常見橋型的主要測點布置為：簡支梁橋為跨中撓度、支點沉降、跨中截面應(yīng)變；連續(xù)梁橋為跨中撓度、支點沉降、跨中和支點截面應(yīng)變；拱橋為跨中與L/4處撓度、拱頂、L/4和拱腳截面應(yīng)變。

1.4 理論分析

橋梁靜載試驗方案確定后，應(yīng)該對橋梁進(jìn)行理論分析與計算，理論分析計算采用Midas Civil6.11或者采用ANSYS10.0來進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)分析計算。首先按照被檢測的橋梁的結(jié)構(gòu)類型建立模型，按照《公路橋梁設(shè)計規(guī)范》計算各控制截面最不利活載內(nèi)力。實驗荷載效應(yīng)的計算主要以荷載橫向分布理論為基礎(chǔ)，將空間結(jié)構(gòu)的分析轉(zhuǎn)化為縱橫兩個正交方向的平面問題加以分析，這種分析方法稱為荷載橫向分布法。構(gòu)建模型后對模型進(jìn)行加載，求出各加載工況下的理論計算應(yīng)變值和撓度值。為對比實測數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

1.5 試驗過程

按照試驗方案針對不同工況對橋梁加載，按照要求對租用試驗車輛過磅，按照荷載試驗效率所確定的試驗荷載進(jìn)行加載，對試驗孔按前述的應(yīng)變和撓度測點布置方式進(jìn)行放樣，在梁底布設(shè)應(yīng)變片，布應(yīng)變片時要將各測點位置實施打磨找平并清洗干凈，然后再粘貼應(yīng)變片，同時布設(shè)撓度測點，根據(jù)應(yīng)變絲電阻的變化來檢測出應(yīng)變量，布設(shè)測試儀器及傳感器連接導(dǎo)線，聯(lián)機(jī)調(diào)試儀器，進(jìn)行各種工況加載，使用靜態(tài)測試儀進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

1.6 數(shù)據(jù)分析對比

將橋梁結(jié)構(gòu)某測試點實測值與計算值相比，得出校驗系數(shù) ，校驗系數(shù) 是評定結(jié)構(gòu)工作狀況、確定橋梁承載能力的一個重要指標(biāo)。一般要求 值不大于1，值越小說明結(jié)構(gòu)的安全儲備越大，一般正常取值見表1。

表1 橋梁校驗數(shù)常值表

由于理論的應(yīng)變一般按線性關(guān)系計算，所以如測點實測彈性應(yīng)變與理論計算值成正比，其關(guān)系曲線接近于直線，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀況。測點在控制荷載工況作用下的相對殘余應(yīng)變越小說明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況。

2 橋梁動載試驗

橋梁動載試驗是研究橋梁的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動特性，它的基本任務(wù)是測定動荷載和結(jié)構(gòu)的動力特性，并測定結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的強(qiáng)迫振動的響應(yīng)。橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能測定一般可分為結(jié)構(gòu)自振特性和結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的受迫振動響應(yīng)。橋梁自振特性主要指標(biāo)為橋梁豎向固有振動頻率、振型和臨界阻尼比；受迫振動主要指標(biāo)為動應(yīng)變、動位移、行車沖擊系數(shù)、跳車沖擊系數(shù)以及車輛制動作用下的動應(yīng)變時程。

橋梁結(jié)構(gòu)需要承受車輛、人群、風(fēng)力和地震等動荷載作用，在動荷載作用下的受力分析是橋梁結(jié)構(gòu)分析的一項重要任務(wù)。其振動問題曩因素復(fù)雜，需要理論分析和實測相結(jié)合的方式來綜合考慮。結(jié)構(gòu)振動問題所考慮的三個關(guān)鍵因素是振源、結(jié)構(gòu)、響應(yīng)，因此，橋梁的動載試驗及其作用可以劃分為3類基本問題：（1）測定橋梁在動載作用下的響應(yīng)（動位移、動應(yīng)力等）；（2）測定橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性（自振頻率、阻尼比、振型等）；（3）測定橋梁荷載的動力特性（數(shù)值、方向、頻率等）。橋梁動載試驗以其工作量小、費用低、試驗時間短、操作方便快捷的特點發(fā)展起來，并在成橋試驗、舊橋評估、橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估、模擬地震試驗、橋上荷載識別、抗風(fēng)試驗與疲勞試驗中發(fā)揮了必不可少的作用。因此，公路舊橋加固采用這種方式可以迅速的評估橋梁狀況。橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的試驗測定主要是測定結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的響應(yīng)，包括自振頻率、沖擊系數(shù)等，一般利用汽車以不同速度通過橋跨所引起的振動來進(jìn)行測定。測定橋跨結(jié)構(gòu)自振特性時應(yīng)在結(jié)構(gòu)相互連接的各部分布置測點，測定荷載本身的動力特性時，主要是測定引起橋梁振動的作用力或振源特性，動力荷載大小可通過安裝在動力荷載設(shè)備底架連接部分的荷重傳感器直接量測記錄。

動載試驗的組織程序同靜載試驗類似，對于橋梁的自振頻率、阻尼比和沖擊系數(shù)等參數(shù)，使用MIDAS計算出理論值，和試驗值相比較，可以得出該橋動載性能好壞的結(jié)論。

目前國際上廣泛采用的以結(jié)構(gòu)自振頻率或結(jié)構(gòu)位移模態(tài)為基礎(chǔ)的損傷識別指標(biāo)體系不夠理想，橋梁作為一個由多種材料，不同結(jié)構(gòu)組合而成的大型綜合系統(tǒng)，各成分材料不一，應(yīng)力也不同，剛度、動力特性相差較大，簡單地用某種單一的動力特性變化指標(biāo)去評估整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，難以取得預(yù)期的效果。同時橋梁動載試驗對橋梁結(jié)構(gòu)的功能，如承載力、可靠性、變形等進(jìn)行定性分析比較容易，但進(jìn)行定量評估則比較困難。另外在橋梁的與監(jiān)測與狀態(tài)評估中，也存在一些問題，如（1）結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素的影響；（2）測量信息不完備；（3）測量精度不足所導(dǎo)致的誤差：（4）測量信號的噪聲所產(chǎn)生的影響；（5）測量信號對結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。以上這些都是動載試驗的局限性。

但隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，近年來，國內(nèi)外對橋梁動載試驗方法從理論到實際進(jìn)行了大量的運用，取得了很大的進(jìn)步。隨著大量的動載試驗的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累，可建立有針對性的專家系統(tǒng)，采用專家系統(tǒng)的方法，橋梁動載試驗可以更快更精確地得出判斷果。

3 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗就是對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接加載測試的科學(xué)試驗，目的是通過荷載試驗，了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力及評價橋梁的營運質(zhì)量，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量，確定舊橋結(jié)構(gòu)的實際承載能力，為制定橋梁加固或改建技術(shù)方案提供依據(jù)。本文通過靜動載試驗在舊橋加固上的應(yīng)用，檢測橋梁整體的力學(xué)狀況，探討了荷載試驗的工作方法和步驟，并對試驗過程進(jìn)行了理論分析，運用試驗結(jié)果來評價舊橋加固后的承載力，以此判斷橋梁結(jié)構(gòu)的加固效果。

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