公路橋梁檢測(cè)中荷載試驗(yàn)的應(yīng)用

任書才

山西路橋集團(tuán)第六工程有限公司六分公司 山西陽泉 045000

公路橋梁荷載試驗(yàn)是一種涉及面廣、技術(shù)含量高、細(xì)致、復(fù)雜的工作。對(duì)于公路橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，主要目的就是要評(píng)定已建橋梁在運(yùn)營過程中的承載能力與新建橋梁的承載能力。針對(duì)公路橋梁的運(yùn)營荷載等級(jí)，檢測(cè)公路橋梁的受力性能能否滿足設(shè)計(jì)要求是一種非常有效的評(píng)定方法。基于此，本文就公路橋梁檢測(cè)中荷載試驗(yàn)的應(yīng)用展開了探討。

1 荷載試驗(yàn)簡析

荷載試驗(yàn)是一種極為重要的公路橋梁檢測(cè)方法，荷載試驗(yàn)具有顯著的直觀性、可靠性。在對(duì)舊橋梁進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定過程中，如果進(jìn)行荷載試驗(yàn)，應(yīng)在狀態(tài)不明確的條件來進(jìn)行評(píng)定。目前，公路橋梁荷載試驗(yàn)大致包括靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)兩種類型。其中，所謂靜載試驗(yàn)，就是指將適量的靜力荷載施加在公路橋梁上，對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，并以此為重要依據(jù)，合理確定試驗(yàn)荷載對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響，同時(shí)對(duì)公路橋梁的撓度、應(yīng)變進(jìn)行有效測(cè)定。在類似條件下，比較分析實(shí)測(cè)值與理論值，選取校驗(yàn)系數(shù)作為指標(biāo)參數(shù)與衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)公路橋梁實(shí)際的承載力與具體狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。在對(duì)公路橋梁的實(shí)際承載力進(jìn)行評(píng)定過程中，需要根據(jù)相關(guān)理論來進(jìn)行有效計(jì)算，假如公路橋梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在這種情況下想，?建立科學(xué)的有限元模型。與模型計(jì)算結(jié)果相比，假如實(shí)際測(cè)量結(jié)果與其之間存在一定的差別，有關(guān)人員應(yīng)及時(shí)修正有限元模型。

2 項(xiàng)目背景

此公路橋梁項(xiàng)目中主橋的長度是409.5m，引橋的長度是280m，主跨采用五跨一聯(lián)結(jié)構(gòu)（40m+3×50m×40m），同時(shí)從上行與下行方向以7.0m為間隔距離進(jìn)行雙向布設(shè)。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁單箱雙室截面與垂直腹板結(jié)構(gòu)，其中箱梁頂?shù)膶挾仁?6.5m，底板的寬度是10.5m，兩側(cè)均設(shè)置了挑臂（長度是2.75m），梁端與跨中的高度均是1.55m，中跨支座部位梁的高度是2.5m。腹板支座的寬度是76.5m，跨中寬度是42.5m，3塊腹板均采用同尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。底板支座的厚度是33.5m，跨中厚度是23.5m，主要表現(xiàn)為線性變化。從箱梁的頂面建立單向橫坡（其中坡率是2%），選擇剛性扭轉(zhuǎn)型式。此項(xiàng)目箱梁箱室中布設(shè)了預(yù)留孔，以便于進(jìn)行后期檢查與維修，箱梁結(jié)合縱向預(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，腹板預(yù)應(yīng)力鋼束則結(jié)合豎彎結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，第一個(gè)施工段采用雙向張拉，余下的施工段都采用連接器完成連接張拉。頂板預(yù)應(yīng)力鋼束選擇的是“直索+兩端張拉”模式，底板采用齒板方式進(jìn)行錨固。主橋的橋?qū)捲O(shè)計(jì)是剛性防護(hù)欄（寬度0.5m）+人行道（寬度是4.5m）+車行道（寬度是12.5m）+人行道（寬度是4.5m）+剛性防護(hù)欄（寬度是0.5m）。橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是防水混凝土層（厚度是6.5cm）+SMA罩面層（厚度是5cm）。此公路橋梁項(xiàng)目設(shè)計(jì)的車速是60km/h，橋面的設(shè)計(jì)坡度必須≤3%，行車荷載是城-A級(jí)。

2.1 荷載試驗(yàn)

此公路橋梁項(xiàng)目實(shí)施荷載試驗(yàn)的核心目的是檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與承載性能，然后確定橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)是否滿足規(guī)范要求，從而實(shí)現(xiàn)公路橋梁運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)定，為公路橋梁運(yùn)營監(jiān)測(cè)與管理提供真實(shí)、有效依據(jù)。本文結(jié)合公路橋梁項(xiàng)目實(shí)際情況，嚴(yán)格按照《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTGT-J21-01-2015）等相關(guān)規(guī)定要求實(shí)施橋梁靜載與動(dòng)載試驗(yàn)[1]。

2.2 靜載試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)荷載。此項(xiàng)目靜載試驗(yàn)通過結(jié)合荷載效率系數(shù)實(shí)現(xiàn)最大荷載水平的有效確定，其中靜載效率系數(shù)根據(jù)公式①進(jìn)行確定。

公式（1）中，Sstat代表的是檢測(cè)位置處于試驗(yàn)荷載狀態(tài)下的相應(yīng)內(nèi)力變形數(shù)值；S代表的是檢測(cè)位置處于設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)下的相應(yīng)內(nèi)力應(yīng)變數(shù)值；δ代表的是動(dòng)力系數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)值[2]。本次橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的荷載效率數(shù)值范圍是0.8至1.05，同時(shí)試驗(yàn)荷載選擇的是340kN汽車（數(shù)量是5臺(tái)）與100kN汽車（數(shù)量是1臺(tái)），以等效彎矩是設(shè)計(jì)彎矩最大值進(jìn)行荷載具體部位的布設(shè)，最后計(jì)算得出的靜載效率系數(shù)η見表1。

表1 靜載彎矩和荷載效率系數(shù)

試驗(yàn)過程。此項(xiàng)目中橋梁變形撓度觀測(cè)點(diǎn)主要是順著橋跨的2側(cè)L/4跨中與3L/4支點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，全聯(lián)一共包含了16個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)荷載撓度測(cè)量。而應(yīng)力測(cè)點(diǎn)則是建立在跨中截面與墩支點(diǎn)截面，全聯(lián)一共包含了25個(gè)測(cè)點(diǎn)，選擇應(yīng)變采集儀完成應(yīng)力變量的精準(zhǔn)測(cè)量。正式開始靜載試驗(yàn)之前必須對(duì)加載汽車進(jìn)行過磅稱重，同時(shí)停在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)部位之外，當(dāng)一切就緒才能夠進(jìn)場(chǎng)實(shí)施預(yù)加載，仔細(xì)、認(rèn)真讀取測(cè)量設(shè)備數(shù)值。在預(yù)加載車輛駛離檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)部位之后，把測(cè)量儀器讀數(shù)調(diào)整為零，然后進(jìn)行第一次空載讀數(shù)。當(dāng)檢測(cè)加載實(shí)施之后，一共布設(shè)了3個(gè)載位點(diǎn)，其中跨中截面采用的是3級(jí)加載，而跨中加載結(jié)束之后并不卸載，同時(shí)從墩支點(diǎn)截面位置進(jìn)行加載（數(shù)量是2臺(tái)340kN汽車），達(dá)到穩(wěn)定并持續(xù)30min之后準(zhǔn)確讀取數(shù)值[3]?？紤]到氣溫條件直接影響著靜載試驗(yàn)結(jié)果，因此靜載試驗(yàn)時(shí)間選擇為22:00至6:00。

試驗(yàn)結(jié)果。此項(xiàng)目中靜載試驗(yàn)結(jié)果見表2。通過分析可知，橋梁結(jié)構(gòu)處于荷載狀態(tài)下的截面撓度、應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)值都小于設(shè)計(jì)數(shù)值，同時(shí)最大撓度產(chǎn)生的殘余變形、最大應(yīng)變部位殘余應(yīng)變小于20%，所有試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果都滿足了規(guī)范要求。

表2 靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

注意事項(xiàng)。實(shí)施靜載試驗(yàn)階段需要確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)試驗(yàn)階段禁止影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全，因此靜載試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選擇階梯式加載模式，逐步有序增加汽車荷載，在滿足設(shè)計(jì)荷載要求后及時(shí)停止加載，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求步驟以及時(shí)間完成卸荷。此項(xiàng)目靜載試驗(yàn)階段汽車的行駛速度≤5.0km/h，以保證靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的有效性與準(zhǔn)確性。

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)

試驗(yàn)原理。從本質(zhì)上分析，動(dòng)載試驗(yàn)是指橋梁結(jié)構(gòu)處于動(dòng)載狀態(tài)下的各參數(shù)變化測(cè)試，比如結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度以及阻尼等相關(guān)參數(shù)，然后實(shí)現(xiàn)橋梁動(dòng)力特點(diǎn)與承載力評(píng)價(jià)。相較于靜載試驗(yàn)而言，動(dòng)載試驗(yàn)并不需要觀察測(cè)量載荷車輛實(shí)際位移量變化，從測(cè)點(diǎn)位置安裝加速度以及振頻傳感器，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的觀測(cè)[4]。動(dòng)載試驗(yàn)主要分為脈動(dòng)試驗(yàn)、強(qiáng)迫試驗(yàn)，其中脈動(dòng)試驗(yàn)必須長期觀測(cè)與記錄橋梁處于不同狀態(tài)下的各項(xiàng)振動(dòng)參數(shù)，同時(shí)實(shí)施波普分析。由于此項(xiàng)目任務(wù)比較重，允許的觀測(cè)時(shí)間較短，因此橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)采用強(qiáng)迫動(dòng)載試驗(yàn)方式。

試驗(yàn)過程。基于零荷載狀態(tài)下，以自然脈動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)橋梁振頻、振幅與阻尼等相關(guān)參數(shù)測(cè)量。實(shí)施動(dòng)載試驗(yàn)之前，從L/2中跨和L/2邊跨等有關(guān)部位建立2個(gè)測(cè)點(diǎn)，選擇專業(yè)速度傳感器完成橋梁結(jié)構(gòu)振頻測(cè)量，認(rèn)真、仔細(xì)記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過DASP動(dòng)態(tài)信號(hào)軟件計(jì)算得出具體試驗(yàn)結(jié)果[5]。動(dòng)載試驗(yàn)階段，選擇100kN汽車（數(shù)量是1臺(tái)）以30km/h、40km/h與50km/h速度行駛與剎車，然后分別測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)振頻、振幅與阻尼等相關(guān)參數(shù)。與此同時(shí)，選擇100kN汽車（數(shù)量是1臺(tái)）從15cm至20cm高處以自由下落方式朝向橋梁施加振動(dòng)力，緊接著準(zhǔn)確測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)振頻、振幅以及阻尼等各項(xiàng)參數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果。通過ANSYS模型與試驗(yàn)檢測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，其中邊跨動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果詳見表3。根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果可知，此橋梁動(dòng)載試驗(yàn)的振型實(shí)際測(cè)量數(shù)值大于設(shè)計(jì)數(shù)值，則表明橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度實(shí)際數(shù)值比設(shè)計(jì)數(shù)值大，而且沖擊系數(shù)符合規(guī)范要求。

表3 邊跨動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

本文以實(shí)際公路橋梁工程項(xiàng)目為例，分別從靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)方面研究了荷載試驗(yàn)在公路橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用。實(shí)踐表明，此公路橋梁結(jié)構(gòu)的撓度、沖擊系數(shù)以及應(yīng)力應(yīng)變等都滿足規(guī)范要求，且橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能表現(xiàn)良好，因此僅需要對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管制，針對(duì)局部風(fēng)化與損傷實(shí)施加固養(yǎng)護(hù)處理。