摘 要：公路橋梁作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)居民生活質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有顯著影響，實(shí)施定期的橋梁養(yǎng)護(hù)工作，能夠在正常養(yǎng)護(hù)公路橋梁的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)其使用壽命。以某跨河大橋?yàn)槔瑥膭?dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)兩方面，對(duì)展開荷載試驗(yàn)的詳細(xì)技術(shù)進(jìn)行了探討，希望能夠給相關(guān)從業(yè)人員帶來(lái)啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；養(yǎng)護(hù)；荷載試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）07-0085-03

0 引言

載荷試驗(yàn)是用來(lái)評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的性能和功能的一種方法，在檢測(cè)時(shí)會(huì)對(duì)橋梁施加縱向壓縮力和拉伸力，監(jiān)測(cè)隨時(shí)間而變化的結(jié)構(gòu)位移和沉降情況，在分析試驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)后，可以對(duì)橋梁的穩(wěn)定性和承載能力做出評(píng)估，并據(jù)此評(píng)價(jià)整個(gè)橋梁工程的運(yùn)行狀況。

為了擬定合理的橋梁維護(hù)和修復(fù)方案，需要及時(shí)識(shí)別并修正橋梁工程中的質(zhì)量問(wèn)題，以此來(lái)提升橋梁的保養(yǎng)效果。荷載試驗(yàn)檢測(cè)通常包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種類型，靜態(tài)荷載試驗(yàn)主要用于測(cè)量橋梁承受的靜態(tài)力大小，動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)用于評(píng)估橋梁在動(dòng)態(tài)力作用下的承載能力，通過(guò)分析荷載試驗(yàn)的結(jié)果及其相關(guān)數(shù)據(jù)，能有效了解橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估橋梁的運(yùn)行狀況。

1 公路橋梁養(yǎng)護(hù)中荷載試驗(yàn)檢測(cè)概念

1.1 動(dòng)載試驗(yàn)

該試驗(yàn)通過(guò)在橋梁上施加動(dòng)態(tài)荷載，如模擬車輛過(guò)橋等，來(lái)評(píng)估橋梁的動(dòng)態(tài)特性和承載能力，其試驗(yàn)核心在于捕捉橋梁在動(dòng)態(tài)荷載作用下的振動(dòng)特性，如頻率、振幅和阻尼比等，通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)分析橋梁的疲勞性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，動(dòng)載試驗(yàn)還能揭示橋梁在反復(fù)荷載作用下的耐久性和剩余壽命，為制定精確的維護(hù)和加固策略提供科學(xué)依據(jù)。

橋梁的動(dòng)載響應(yīng)分析也有助于優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)，提升其適應(yīng)復(fù)雜交通環(huán)境的能力。在對(duì)橋梁進(jìn)行橫向和縱向的彎曲及扭曲變形進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要在每一跨度設(shè)置不少于兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，準(zhǔn)確獲得最大的變形數(shù)據(jù)，并記錄下橋梁支撐點(diǎn)的沉降情況。在測(cè)量橋梁控制面應(yīng)力時(shí)，應(yīng)確保至少有4個(gè)測(cè)點(diǎn)分布在橋梁的整個(gè)橫截面上，準(zhǔn)確計(jì)算出應(yīng)力的最大值以及偏載情況。

在檢測(cè)具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的橋梁時(shí)，除了常規(guī)的測(cè)點(diǎn)之外，還應(yīng)特別關(guān)注橋梁的支點(diǎn)和主要拉力的測(cè)試，橋梁支座的沉降情況、伸縮特性以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度都需進(jìn)行細(xì)致的監(jiān)測(cè)[1]。在裂縫發(fā)現(xiàn)的初期，必須詳盡記錄裂縫的具體位置、走向、長(zhǎng)度和寬度。如果發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或裂縫持續(xù)擴(kuò)大，則應(yīng)立刻中止工作，并迅速撤離現(xiàn)場(chǎng)人員及設(shè)備，設(shè)計(jì)上較為特殊的橋梁，例如斜拉橋和懸索橋，還需額外監(jiān)測(cè)索力的變化和塔的位移情況。

1.2 靜載試驗(yàn)

該試驗(yàn)通過(guò)將預(yù)定的荷載施加在橋梁結(jié)構(gòu)上，模擬橋梁在不受動(dòng)態(tài)荷載影響時(shí)的承載能力和穩(wěn)定性。在操作過(guò)程中，要注意荷載的均勻分布和逐漸增加的施加方式，以避免對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成突然的沖擊或過(guò)度應(yīng)力。

試驗(yàn)期間需要密切監(jiān)控橋梁的應(yīng)力響應(yīng)、位移和變形情況，以確保橋梁結(jié)構(gòu)不會(huì)受到不可逆的損傷。在靜載試驗(yàn)中，荷載的施加和測(cè)量應(yīng)精確控制，任何誤差都可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果。梁體、支座和接縫等橋梁的各個(gè)關(guān)鍵部位，都需要仔細(xì)檢查，確保它們?cè)诔惺芎奢d時(shí)的表現(xiàn)與設(shè)計(jì)預(yù)期一致。橋梁的材料特性、年齡和歷史維護(hù)記錄也是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素，這些因素在分析數(shù)據(jù)時(shí)需要充分考慮[2]。

靜載試驗(yàn)通常適用于那些主要承受靜態(tài)荷載的橋梁，如人行橋、低流量的道路橋或老舊橋梁。對(duì)于這些橋梁而言，靜載試驗(yàn)?zāi)軌蛴行гu(píng)估其當(dāng)前的承載能力和結(jié)構(gòu)完整性，從而為后續(xù)的維護(hù)或加固工作提供依據(jù)，對(duì)于承受重大交通流量或頻繁動(dòng)態(tài)荷載的橋梁，靜載試驗(yàn)無(wú)法全面反映橋梁的實(shí)際運(yùn)行狀況，因此在這些情況下，靜載試驗(yàn)應(yīng)與其他類型的荷載試驗(yàn)相結(jié)合。

2 案例分析

2.1 工程概況

某跨河橋梁是一座橫跨規(guī)劃中的五級(jí)航道的大型橋梁，整體橋長(zhǎng)312 m，該橋的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為變截面的現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，而其引橋部分則由20 m長(zhǎng)的先張法空心板梁組成，整個(gè)橋面設(shè)計(jì)為連續(xù)式。主橋部分由三個(gè)跨度組成，分別是40 m、65 m和40 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面單箱雙室直腹板連續(xù)箱梁的設(shè)計(jì)方案。橋梁的單幅寬度為19 m。在橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，箱梁的高度從跨中的2.1 m逐漸變化，按照二次拋物線的形式增加，至距中墩中心1.75 m處達(dá)到3.9 m的最大高度。在主橋的箱梁構(gòu)造中，位于墩頂?shù)闹袡M梁厚度達(dá)到2 m，而在每個(gè)跨度的兩端則分別設(shè)置了1.5 m厚的端橫梁。主跨的中心部位特設(shè)了一道0.4 m厚的橫梁。

為了保證結(jié)構(gòu)平衡與穩(wěn)固，箱梁的底板設(shè)計(jì)為橫向水平，同時(shí)通過(guò)改變腹板高度來(lái)實(shí)現(xiàn)單側(cè)2%的橫向坡度，主橋的箱梁還特別采用了三維預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，在提升橋梁整體承載力的同時(shí)，也增強(qiáng)了其穩(wěn)定性[3]。

2.2 荷載試驗(yàn)檢測(cè)依據(jù)

荷載試驗(yàn)檢測(cè)作為公路橋梁評(píng)估的核心環(huán)節(jié)，其執(zhí)行依據(jù)一系列權(quán)威的工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003）為此類試驗(yàn)提供了基本的技術(shù)框架和方法論，《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）細(xì)化了橋梁設(shè)計(jì)的一般要求，對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)的具體內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，從《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62—2004）針對(duì)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的特殊性，為這類橋梁的荷載試驗(yàn)提供了專門的指導(dǎo)。

在質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定方面，《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（土建工程）（JTG F80/1—2004）為橋梁工程提供了全面的質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（交通部公路科學(xué)研究所1982/10北京）提供了對(duì)此類橋梁進(jìn)行精確評(píng)估的技術(shù)支持，《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（送審稿）（交通部公路科學(xué)研究所2003年4月）則是橋梁承載能力檢測(cè)的最新研究成果，它為橋梁承載能力的評(píng)估提供了詳細(xì)的步驟和標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況

橋梁的現(xiàn)狀調(diào)查和檢測(cè)主要分為兩個(gè)方面：一是對(duì)橋梁跨結(jié)構(gòu)的橋面線形進(jìn)行調(diào)查，二是對(duì)結(jié)構(gòu)表面的主要缺陷和問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)。為了獲取橋面線形的數(shù)據(jù)，通常會(huì)測(cè)量主梁兩側(cè)的控制點(diǎn)高程。

這一測(cè)量工作主要依賴于橋梁建設(shè)時(shí)建立的高程控制網(wǎng)絡(luò)，選擇最適宜的觀測(cè)時(shí)間，利用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行直接測(cè)量。若原有的高程控制點(diǎn)遭到破壞，可以新設(shè)立參考高程控制點(diǎn)，并通過(guò)全橋相對(duì)高程的測(cè)量來(lái)準(zhǔn)確獲取橋面的線形情況。在進(jìn)行橋梁試驗(yàn)前后，要詳細(xì)進(jìn)行外觀檢查，仔細(xì)觀察箱梁的外表和內(nèi)部，注意是否存在蜂窩狀、麻點(diǎn)狀的表面、空洞、破損或者鋼筋外露等情況，需要檢查箱梁外部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，特別是要注意是否出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性的裂縫，如果發(fā)現(xiàn)裂縫，必須精確測(cè)量其寬度和長(zhǎng)度，評(píng)估其對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響。

3 荷載試驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)用方式

3.1 靜載試驗(yàn)

3.1.1 測(cè)試項(xiàng)目

為了滿足該橋的主要試驗(yàn)?zāi)康模瑢?duì)大樁號(hào)方向右側(cè)的橋梁進(jìn)行了一系列靜載試驗(yàn)，在4#墩與5#墩之間的邊跨跨中截面，進(jìn)行了最大正彎矩效應(yīng)和最大豎向撓度效應(yīng)的測(cè)量，分別在對(duì)稱和偏載兩種加載工況下進(jìn)行了測(cè)試。在5#墩與6#墩之間的主跨跨中截面，同樣進(jìn)行了最大正彎矩效應(yīng)和豎向撓度效應(yīng)的測(cè)量，分別在對(duì)稱和偏載兩種加載工況下進(jìn)行了測(cè)試，在5#主墩附近的箱梁截面，也進(jìn)行了特殊的試驗(yàn)，測(cè)量了最大負(fù)彎矩效應(yīng)，同樣采用了對(duì)稱加載工況。在橋梁的7#墩支座附近，進(jìn)行了剪切力效應(yīng)的檢測(cè)，同樣采用了均勻的負(fù)荷情況。這些實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)在于全方位評(píng)估橋梁的性能和可靠性，讓橋梁能夠在各種情況下，都能夠牢固地承受荷載，保障道路交通的流暢和安全[4]。

3.1.2 確定測(cè)試截面

使用專門用于橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估的Midas/Civil軟件，對(duì)這座橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和檢測(cè)，這座橋被規(guī)劃成為單一橫向通道，擁有4個(gè)車道。在計(jì)算過(guò)程中，使用了一級(jí)道路負(fù)荷，將其均勻分散到4個(gè)行車道上，并遵循規(guī)則應(yīng)用了0.67的橫向縮小系數(shù)。通過(guò)對(duì)主橋在實(shí)際負(fù)荷情況下的內(nèi)力分析圖進(jìn)行研究，可以明確確定各個(gè)檢測(cè)控制剖面的位移，并最終根據(jù)圖表的數(shù)據(jù)，確認(rèn)了各個(gè)控制剖面的確切位置。

3.1.3 布置測(cè)點(diǎn)

為了評(píng)估箱梁各截面的混凝土表面壓力，采用了在戶外環(huán)境下適用、具備高度穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的振動(dòng)弦應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)定，分析主要測(cè)試控制截面的壓力分布特征和受力性能。腹板的變形測(cè)點(diǎn)位于上翼緣和底板，每隔5 cm布置一個(gè)點(diǎn)，這些測(cè)點(diǎn)均勻分布在腹板的高度內(nèi)。為了測(cè)量主梁的垂直撓度，在箱梁底部放置了一些棱鏡，然后使用Leica 2003型全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量。

3.1.4 加載工況及試驗(yàn)荷載布置方式

在靜態(tài)負(fù)荷測(cè)試過(guò)程中，采用了30 t的車輛來(lái)模擬等效負(fù)荷，根據(jù)不同的工況，使用了多種試驗(yàn)負(fù)荷分布方案，這些工況和分布方案的選定都依據(jù)了橋梁構(gòu)造的特性和荷載效應(yīng)的具體需求。

工況1是橋梁中跨最大正曲率情況，精確地分配了試驗(yàn)負(fù)荷，最大正應(yīng)力和最大撓度位置得到全面覆蓋，在水平方向上，負(fù)荷分布保持對(duì)稱。工況2代表著橋梁中跨最大正曲率情況的右側(cè)，縱向負(fù)荷分布仍然考慮了最大正應(yīng)力和最大撓度位置，但水平方向上負(fù)荷有向右的傾向。工況3對(duì)應(yīng)橋梁中跨最大正曲率情況的左側(cè)，縱向負(fù)荷分布仍然與情境1相同，但水平方向上負(fù)荷有向左的趨勢(shì)。工況4用于觀察整座橋梁的異常變形。在這一情況下，車隊(duì)會(huì)緩慢穿過(guò)整座橋梁，負(fù)荷按照最不利的正曲率位置布置，觀察混凝土是否出現(xiàn)開裂現(xiàn)象以及橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生異常變形。這些情境和負(fù)荷分布方案的選擇，能全面了解橋梁結(jié)構(gòu)在各種荷載情況下的響應(yīng)和性能表現(xiàn)。

3.1.5 試驗(yàn)的注意事項(xiàng)

在開始正式進(jìn)行荷載試驗(yàn)之前，需根據(jù)應(yīng)變和位移測(cè)點(diǎn)的布置計(jì)劃并放樣，就應(yīng)變點(diǎn)的位置而言，須執(zhí)行打磨和平整的步驟，接著黏附電阻應(yīng)變片并進(jìn)行焊接導(dǎo)線。位移測(cè)點(diǎn)要裝置機(jī)電百分表，并將其與應(yīng)變平衡箱連接起來(lái)。

基于車輛計(jì)算和分配質(zhì)量的分析結(jié)果，在不同工況下明確車輛加載位置并標(biāo)出線條，開展在線聯(lián)機(jī)調(diào)試，選用一輛汽車進(jìn)行預(yù)先加荷，驗(yàn)證各測(cè)點(diǎn)上電阻應(yīng)變片、機(jī)電百分表和應(yīng)變平衡箱的穩(wěn)固性。在靜態(tài)負(fù)荷測(cè)試期間，每個(gè)操作情況都應(yīng)該在兩個(gè)不同的時(shí)段逐漸施加。

在評(píng)估過(guò)程中，為了減少混凝土的流變性對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，每次負(fù)載完畢后都應(yīng)停止汽車的引擎，然后等待至少5 min，以確保結(jié)構(gòu)的形變完全趨于穩(wěn)定之后再開始數(shù)據(jù)收集。隨著時(shí)間推移，應(yīng)對(duì)測(cè)得的極限彎曲度和變形值進(jìn)行與理論估算結(jié)果的比對(duì)。倘若在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)異狀數(shù)據(jù)，即刻解除負(fù)載車輛，以防突發(fā)意外事件的發(fā)生。

卸載后必須確保在至下一次施加荷載之間至少有10 min的時(shí)間間隔。同一工作狀態(tài)的檢驗(yàn)必須按照上述加載和卸載的程序一再進(jìn)行，直至兩次測(cè)試的相對(duì)誤差不超過(guò)5%，方能完成該工作狀態(tài)的檢驗(yàn)，然后繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)工況的檢驗(yàn)[5]。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

3.2.1 車輛激勵(lì)試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程來(lái)看，通常在結(jié)構(gòu)受到活載作用時(shí)，選擇測(cè)試截面位于應(yīng)變最大的地方。鑒于本橋結(jié)構(gòu)受彎矩影響的包絡(luò)圖特性，車輛激勵(lì)試驗(yàn)的觀測(cè)截面應(yīng)設(shè)置在5#墩與6#墩之間的主跨區(qū)域。

3.2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)分為兩個(gè)不同的工況：在第一個(gè)工況下，測(cè)試車輛以30 km/h的速度穿越測(cè)試的連接/孔洞，而在第二個(gè)工況下，測(cè)試車輛以40 km/h的速度通過(guò)測(cè)試的連接/孔洞。

3.2.3 脈動(dòng)試驗(yàn)

當(dāng)橋面未承受任何交通負(fù)載且附近橋址未受到規(guī)律振動(dòng)源干擾時(shí)，采用高度靈敏的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，來(lái)記錄橋址處因風(fēng)荷載、地下脈動(dòng)、水流等隨機(jī)載荷引發(fā)的微小橋梁跨度結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)，獲取了結(jié)構(gòu)的自振頻率、振動(dòng)模式和阻尼比等動(dòng)力學(xué)特性數(shù)據(jù)。

3.2.4 試驗(yàn)處理方法

自振特性測(cè)試采用脈動(dòng)法進(jìn)行，借助于由國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所制造的891-IV型速度感應(yīng)器用于振動(dòng)拾取，同時(shí)匹配DLF-8型多合一放大器作為擴(kuò)大設(shè)備，信號(hào)收集器則選用東方所INV306DF型智能信號(hào)捕捉處理分析儀。在頻譜分析方面，應(yīng)用了DASP軟件分析系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了光譜分析，通過(guò)計(jì)算相關(guān)性、自相關(guān)性、相位差和相干系數(shù)，確定了各個(gè)階段的頻率。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行阻尼分析時(shí)，結(jié)構(gòu)的阻尼特性是通過(guò)阻尼比D來(lái)表示的，在試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用頻譜圖中的半功率譜帶寬來(lái)計(jì)算阻尼比。在振動(dòng)特性分析方面，要運(yùn)用DASP軟件分析系統(tǒng)進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，確認(rèn)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)振幅和相位差，以此來(lái)獲取橋梁結(jié)構(gòu)的振型數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

靜載和動(dòng)載荷載試驗(yàn)檢測(cè)后，全面評(píng)估出橋梁結(jié)構(gòu)的性能，可為后續(xù)制定合理的維護(hù)及修復(fù)方案提供科學(xué)依據(jù)，以此來(lái)提升公路橋梁的養(yǎng)護(hù)效果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以預(yù)見荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)將變得更加精確和高效。傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法的發(fā)展，將使試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析更加便捷和精確，能夠明顯提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。而進(jìn)行荷載試驗(yàn)檢測(cè)的相關(guān)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用將成為未來(lái)的趨勢(shì)，能夠起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取預(yù)防措施的效果，將有助于延長(zhǎng)橋梁的壽命，降低橋梁維護(hù)成本。

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