某橋梁荷載試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的誤差分析

洪輝

【摘 要】檢測數(shù)據(jù)是推定橋梁工作狀態(tài)的科學(xué)依據(jù)，數(shù)據(jù)中的誤差不可避免地存在，影響數(shù)據(jù)的科學(xué)性。文章簡述了橋梁荷載試驗(yàn)中數(shù)據(jù)誤差的概念、分類及常見誤差，結(jié)合工程實(shí)例，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)常見的誤差。

【關(guān)鍵詞】荷載試驗(yàn);數(shù)據(jù);誤差;分析

【中圖分類號(hào)】U446.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）03-0115-03

0 前言

橋梁荷載試驗(yàn)是橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)最直接的試驗(yàn)方法。將試驗(yàn)荷載作用于橋梁上的指定位置，測試橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移及裂縫等參數(shù)，以推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和實(shí)際使用能力。這對(duì)于檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)與施工的質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法等有重要意義。

客觀、準(zhǔn)確、及時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是指導(dǎo)、控制和評(píng)定橋梁工作性能的科學(xué)依據(jù)。然而，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不可避免地存在誤差，有可能對(duì)橋梁工作性能的評(píng)定產(chǎn)生某些不利影響。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確、可靠，對(duì)數(shù)據(jù)誤差開展分析、處理工作就顯得尤為重要和必要。

1 誤差的概念及分類

試驗(yàn)誤差可分為2種類型：一種類型是試驗(yàn)對(duì)象本身具有隨機(jī)性，由此導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng);另一種類型是試驗(yàn)過程引入的誤差，也稱為測量誤差。

試驗(yàn)過程中的測量誤差定義如下[2]：某物理量的實(shí)測值x與該物理量的真值xi之間的偏差值δx，即xi=x±δx?？偟膩砜?，測量誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和過失誤差。根據(jù)來源，誤差又可分為因儀器儀表不精確產(chǎn)生的儀器誤差，操作不當(dāng)引起的操作誤差，測試方法本身的方法誤差，溫度、濕度變化等引起的環(huán)境誤差，以及偶然事件導(dǎo)致的偶然誤差等。

2 橋梁荷載驗(yàn)中常見的誤差

2.1 儀器誤差

儀器誤差又稱為工具誤差。橋梁荷載試驗(yàn)中使用的儀器的精度總是有限的。例如，百分表測桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過百分表內(nèi)部的齒輪-齒條機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為指針的轉(zhuǎn)動(dòng)，而機(jī)械運(yùn)動(dòng)要求一定的空隙，這一空隙使百分表的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定程度的誤差。

2.2 操作誤差

在橋梁荷載試驗(yàn)中，以下幾個(gè)方面可能出現(xiàn)操作誤差。{1}由于試驗(yàn)人員的技術(shù)水平和一些主觀因素造成的誤差。例如電阻應(yīng)變片的粘貼，由于試驗(yàn)人員技術(shù)水平的限制，應(yīng)變片粘貼的位置可能存在一定程度的偏差，應(yīng)變片粘貼的質(zhì)量也可能存在一定程度的缺陷，這都將導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。{2}由于試驗(yàn)人員的過失或差錯(cuò)導(dǎo)致的誤差。例如，儀器設(shè)備操作錯(cuò)誤、參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、讀數(shù)錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤等，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)偏離其真值。{3}試驗(yàn)中，操作過程不能滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求，或者測試儀器儀表的安裝出現(xiàn)偏差等也將導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

2.3 方法誤差

方法誤差通常是由于不完善的測量方法或數(shù)學(xué)處理方法所引起的。采用簡化的測量方法或近似的計(jì)算方法及忽略某些外界條件的影響等，都可能導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)偏離真值。例如，某橋梁分為左、右半幅，中間設(shè)置2 cm伸縮縫，橋梁結(jié)構(gòu)在中間斷開，但橋面鋪裝按全幅布設(shè)。荷載試驗(yàn)中測量其跨中豎向撓度時(shí)，若不考慮左、右幅之間的相互影響，將導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

2.4 環(huán)境誤差

在橋梁荷載試驗(yàn)中，儀器儀表及橋梁結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境發(fā)生變化，可能導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)存在誤差，且環(huán)境因素變化對(duì)測試數(shù)據(jù)的影響難以定量估計(jì)。溫度、濕度、振動(dòng)、氣壓、電磁場等是最常見的環(huán)境因素。例如，測試橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的靜應(yīng)變所采用的電阻式應(yīng)變儀，必須考慮溫度的影響。若未采取合理的溫度補(bǔ)償措施，將導(dǎo)致應(yīng)變測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)環(huán)境誤差，進(jìn)而影響應(yīng)力分析。

2.5 偶然誤差

試驗(yàn)過程中突發(fā)的偶然事件也可能引起測試數(shù)據(jù)的誤差，稱之為偶然誤差。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某市區(qū)內(nèi)新建一座橫跨某街的下承式系桿拱橋。該橋全長58.0 m，橋面寬度為23 m，即4 m寬的人行道+25 m寬行車道+4 m寬的人行道（示意圖如圖1、圖2所示）。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)車輛荷載，人群為3.5 kN/m，設(shè)計(jì)車速為30 km/h。

上部構(gòu)造為兩榀鋼筋砼下承式拱肋與兩根系梁，之間由17根橫梁連接而成。拱肋的計(jì)算跨徑為40.0 m，計(jì)算矢高為8.0 m，矢跨比為1/5，“工”字形斷面。在每片拱肋和系梁間設(shè)15根吊桿，配冷鑄鐓頭錨，上、下端分別錨于拱肋及橫梁內(nèi)。橋梁縱向?yàn)槠狡?車行道橫坡度為1.5%的“人”字坡;人行道橫坡度為1%單向坡。

試驗(yàn)的目的：通過荷載試驗(yàn)，再結(jié)合其他檢測項(xiàng)目（如外觀檢查、混凝土強(qiáng)度抽檢等），推定該橋的施工質(zhì)量及其實(shí)際承載能力，為該橋的竣工驗(yàn)收、運(yùn)營使用及今后橋梁的養(yǎng)護(hù)等提供技術(shù)依據(jù)。

3.2 試驗(yàn)荷載工況及測點(diǎn)布置

（1）試驗(yàn)工況：跨中最大正彎矩工況（工況1）和拱腳最大負(fù)彎矩工況（工況2）。以8輛總重均為30 t左右的載重汽車作為試驗(yàn)荷載，分3級(jí)進(jìn)行加載。

（2）采用分辨力為0.01 mm、量程為50 mm的百分表測試橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中的撓度。分別在左右拱頂、系梁中部和支座設(shè)置8個(gè)撓度測試點(diǎn)，依次編號(hào)為N1、N2……N8。

（3）采用JM3818A無線靜態(tài)應(yīng)變儀測試試驗(yàn)過程中橋梁主要受力部位的應(yīng)變值，從而計(jì)算出應(yīng)力值。分別在左右拱頂、拱腳和系梁中部布置20個(gè)應(yīng)變測試點(diǎn)，依次編號(hào)為Y1、Y2……Y20。

3.3 測試結(jié)果及誤差分析

本文以橋梁在靜載試驗(yàn)階段各級(jí)荷載作用下的部分測試數(shù)據(jù)為例，分析測試數(shù)據(jù)的誤差。

3.3.1 撓度測試

測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值見表1。

（1）各級(jí)荷載作用下，橋梁左右拱頂撓度測試結(jié)果存在一定差異。據(jù)分析，可能是由于施工等原因引起的橋梁左右拱實(shí)際受力形式、材料強(qiáng)度等存在一定的差異，導(dǎo)致左右拱頂撓度的測試差異。但不排除試驗(yàn)數(shù)據(jù)本身存在一定的誤差，如百分表儀器誤差、人為操作誤差、加載車輛稱重誤差、加載位置放樣誤差等。

（2）工況2各級(jí)荷載作用下，拱頂撓度的測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值的偏差相對(duì)較大。結(jié)合工程具體情況分析，該工況下汽車荷載作用在橋梁拱腳，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)可知拱頂?shù)膿隙缺旧砗苄?，此時(shí)百分表、人為操作、環(huán)境等因素對(duì)測試結(jié)果的影響就比較大，出現(xiàn)這類情況是完全可能的。

3.3.2 應(yīng)力測試

測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值見表2。

（1）試驗(yàn)測試應(yīng)變值均低于理論計(jì)算值。據(jù)分析，可能與橋梁材料實(shí)際強(qiáng)度較設(shè)計(jì)強(qiáng)度大，拱上建筑與拱圈共同作用，支座摩阻力對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，以及理論計(jì)算偏安全等因素有關(guān)。但也可能存在受溫度、濕度等變化引起的環(huán)境誤差。據(jù)記錄，該次荷載試驗(yàn)從晚上10點(diǎn)持續(xù)至次日凌晨1點(diǎn)，期間溫度、濕度變化較大。而應(yīng)變測試系統(tǒng)對(duì)溫度、濕度的變化非常敏感，溫度、濕度變化達(dá)到一定程度就會(huì)影響應(yīng)變儀的靈敏度及測試效果，從而導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。也可能存在將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成應(yīng)力的計(jì)算過程中的計(jì)算誤差，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的誤差。

（2）工況2荷載作用下，Y13測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可能是試驗(yàn)人員操作差錯(cuò)導(dǎo)致。分析發(fā)現(xiàn)，前后數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)異常情況，可能是試驗(yàn)人員讀數(shù)、記錄、計(jì)算等環(huán)節(jié)錯(cuò)誤引起的誤差導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。

4 結(jié)語

當(dāng)前，橋梁檢測工作量不斷增加，檢測質(zhì)量要求不斷提高。試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)的客觀性、準(zhǔn)確性是指導(dǎo)、控制、評(píng)定橋梁工作性能的科學(xué)依據(jù)，影響橋梁的安全運(yùn)營、維修養(yǎng)護(hù)等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差的精確分析和合理處理已成為橋梁檢測工作者的重要研究內(nèi)容。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]潘松林，張紅陽.公路橋梁檢測概述[J].城市道橋與防洪，2003（5）：5-8.

[2]易偉建，張望喜.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]王建華，孫勝江.橋涵工程試驗(yàn)檢測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]