荷载试验检测技术在桥梁技术状态评估中的应用

2011-08-26尹彬彬李金涛北京中交桥宇科技有限公司北京100102

中国建材科技 2011年5期

尹彬彬李金涛（北京中交桥宇科技有限公司，北京 100102）

早在20 世纪50年代，人们就意识到桥梁安全检测的重要性，但鉴于当时的检测手段比较落后，所以在实际应用上一直受到限制。近年来，随着大跨度桥梁设计的轻柔化以及形式功能的日趋复杂化，桥梁健康检测评估显得越来越重要，成为研究的热点。桥梁病害问题的越早发现就能够大大节约桥梁的维修费用。目前各桥梁养护部门都在积极研究完善桥梁养护管理系统，桥梁技术状态评估是其重要的管理手段。

桥梁工作技术状态评估是对桥梁的安全性、耐久性、适用性、功能性等各种指标的综合评估工作。其中桥梁结构的安全性能始终是工程技术人员最关系的核心问题，也是桥梁能够正常服务于交通需要的根本保证。随着交通运输的不断发展，新的设计理论、设计思想、施工技术不断应用于桥梁结构中，结构更加新颖、结构更为复杂的桥梁形式不断出现，我国桥梁的整体水平不断提高的同时，也给桥梁技术评估工作提出了更高的要求。

1 桥梁荷载试验

桥梁荷载试验就是在试验的桥梁结构上，以仪器设备为工具，利用各种试验技术手段，在试验荷载的作用下，通过测量与结构工作性能有关各种参数（变形、挠度、应变、振幅、频率……），从强度、刚度、稳定性和抗裂性以及结构破坏形态来判明建筑结构的实际工作性能，确定结构的承载力，评估结构对使用要求的符合程度，并用以检验和发展结构的计算理论。

桥梁荷载试验有静载试验、动载试验之分。

静载试验是目前应用较为广泛的试验方法，其方法可靠、准确性高。他通过对桥梁进行试验加载模拟桥梁实际运营下可能的荷载状况或设计荷载状况，来评定桥梁的承载能力，主要测试静态荷载下桥梁的结构性能。

动载试验也逐渐被人们应用到桥梁承载能力评定中，它通过模拟桥梁受到的振动荷载，得到桥梁的振动特性和动力响应，以此来评定桥梁的动力特性，随着人们对其研究的深入，桥梁动载试验越来越受到人们的重视。

2 荷载试验的主要任务

对于桥梁安全性能的评估，最主要是对桥梁承载能力进行评定，近些年来，我国先后开展了“桥梁承载力评定”等课题的研究，大量旧桥通过承载能力评定又重新投入了运营，为国家节约的大量的资金。不同桥梁承载能力评定方法不尽相同，主要应包括三方面内容：桥梁现状调查、承载能力检算和荷载试验，对于典型桥梁、旧桥、特殊结构桥梁一般均需要进行荷载试验来评定其承载能力。主要应用于以下几类桥梁：

1）新建的大跨径桥梁，尤其对独特设计和新的施工工艺、施工材料的新建桥梁实行验收荷载试验。

2）缺乏设计与施工技术资料的旧桥，或难于采用计算方法评定其能否承受预定的增大荷载的旧桥实行鉴定荷载试验。

3）运营情况较好，要提高其运营等级的桥梁，需进行鉴定荷载试验。

4）对设计或施工有质量问题疑问的桥梁或遭受意外荷载（如荷载撞击）时，进行鉴定荷载试验。

3 荷载试验主要工作内容、步骤及评定方法

梁结构和在试验大致应分为三个阶段：桥梁结构的考察、方案设计及准备工作阶段；加载试验与观测阶段；试验结果的分析与总结阶段。

第一步试验准备，试验前应做好准备工作，因为桥梁的荷载试验是一项复杂的技术工作，涉及到的人员、设备较多，还会对交通等产生一定的影响，因此为保证荷载试验的顺利进行，必须进行充分的准备，主要包括资料调查、现状情况调查及材料试验，加载设计等工作。

3.1 资料调查

桥梁的资料调查应该尽可能的周密、细致、准确，主要应包括：该桥的设计资料、竣工资料、维修加固资料以及过去的荷载试验资料等。这里特别要提出的是，对于要进行承载能力鉴定的桥梁应对其进行交通量的调查，统计出经常通过车辆的车型、载重及交通量，这对于我们评估桥梁的实用性和确定试验荷载有很大的帮助。

3.2 现状情况调查

桥梁现状情况调查是荷载试验前必要的工作，以确定桥梁的各主要承重构件是否有较大的损伤，是否影响到桥梁的承载性能，如主梁截面是否受损而使截面减小，钢筋锈蚀使钢筋直径明显减小等。

3.3 材料试验

对于桥梁相关资料不全、桥梁经过多年运营材料性能出现退化或对实际状况产生怀疑要进一步确定桥梁的材料特性时，需进行桥梁材料试验，试验一般采用无损检测技术，如利用超声波对混凝土强度进行鉴定等。

在对桥梁进行了充足的实验准备后方可进行荷载试验。

3.4 加载设计

3.4.1 测点布置

对于桥梁加载工况和测点布置根据的桥梁类型不同而不同，但应注意的是：在满足鉴定桥梁承载能力的前提下，加载项目安排应抓住重点，不宜过多，一般应对其主控截面加载，其中①截面最大应力（应变）：作为衡量结构强度的指标；②截面最大挠度：作为衡量结构刚度的指标和推定活载横向分布情况；③裂缝观测：从安全角度考虑，对可能使裂缝发生、发展的主梁跨中截面进行裂缝观测，作为加载控制条件之一。

3.4.2 试验荷载效率

试验荷载与设计荷载对桥梁产生效果的比较通过荷载试验加载效率系数ηq来表示，静载试验效率采用下式计算：

式中：Ss—试验荷载作用下控制截面内力计算值；

S—控制荷载作用下控制截面最不利内力计算值；

μ—冲击系数；

一般ηq 值可采用0.8～1.05 之间，当桥梁调查、检算工作比较完善时，可采用低限；当桥梁的调查、检算工作不充分活资料不全时，取上限。对于一般桥的承载能力鉴定时，不应小于0.95。

3.4.3 试验加载分级控制

为了加载安全和了解结构应变和便尾随加载内里增加的变化关系，对桥梁主控截面的加载应分级，而且一般安排在开始的几个加载程序中执行。

第二步进行现场检测，准备工作就位后，即可进行试验，按照事先制订的试验方案按步骤进行，主要应包括如下方面：

1）仪器安装和调试

按照预定方案，在应变测点和挠度测点分别安装测试仪器。

试验仪器能否正常工作是试验的成功关键，因此在本次试验前对所有测试仪器、设备都进行了标定和调试，以确保仪器工作正常。

2）车位放样

按照设计加载车位，在现场进行测量放样，并采用喷漆进行标记。

3）零荷载初读值

测量、记录、安全员等全体工作人员进入各自岗位，各司其职，整个测试系统开始启动。在正式加载前进行初读数。

4）加载

按照预定加载分级方案逐级进行加载。由专人指挥加载车辆，按照标定位置顺序进行加载。

5）终止加载控制条件

①控制测点应力值达到或超过用弹性理论按规范安全条件反算的控制应力值；

②控制点变位（或挠度）超过规范允许值；

③由于加载使裂缝长、宽急剧增加，新裂缝大量出现，缝宽超限裂缝大量增多；

④不正常的响声，墩台是否摇晃，发生其它损坏情况。

6）稳定后读数

当读数波动值在测试仪器的精度范围内，结构变形和应变处于相对稳定状态，进行数据读取。

7）卸载

完成全部加载工况后，加载车退出至桥台后10m 处，待结构稳定后读取残余应变值。

8）恢复交通，拆除仪器。

3.4.4 荷载试验成果分析及评定

当现场全部检测结束后，应对所采集的数据进行整理分析，然后对荷载试验成果进行分析与评定。一般应进行如下工作：

1）校验系数η 评定

校验系数一般按下式计算

η ＝S 实测/S 理论

试中：S 实测—试验荷载作用下实测的变位值；

S 理论—试验荷载作用下理论计算变位值。

一般情况下在同一荷载下实测值与理论计算值应接近，η≤1 时，结构满足使用要求，η＞1时，应根据实际情况降级使用，限速限载并进行加固或改建。η 值越小，结构安全储备越大。

2）实测值与理论值关系曲线评定

由于理论的变位一般按线性变化关系计算，所以如果实测变位与理论值成正比，关系曲线接近直线，说明结构处于良好的弹性工作状态。

3）残余变形评定

实测残余变形(Sp)与实测总变形(Stot)的比值越小结构越接近弹性工作状态，一般要求≤0.2。当大于0.2 时，应查明原因，确定桥梁强度不足时，评定中应酌情降低桥梁的承载能力。

4）裂缝评定

试验荷载作用下裂缝宽度均不应超过规范值的规定。

5）当试验项目较全或有特殊需要时还应对基础及稳定性进行评定。

表1 校验系数表

6）进行动荷载试验的桥梁进行相应的动态性能评定。

以上为桥梁评定的基本方法，例如北京某桥的荷载试验中的校验系数（见表1 及图1）。

图1 四级挠度曲线

在试验荷载作用下，挠度校验系数均小于1。满载时，挠度校验系数平均值为0.29，说明该结构在试验荷载作用下变形情况良好。关系曲线（见图2）。

图2 各级荷载下挠度关系曲线

可以看出主梁的跨中挠度基本呈线性变化，说明结构弹性工作状态良好。残余变见表2

表2 残余变形数据表

试验中我们得到的残余变形局小于0.2，结构弹性工作状态良好。

试验荷载作用下裂缝宽度均未超过规范值的规定。进行荷载试验及评定后，最终确定该桥技术状态良好，承载能力满足要求，进行适当维修后即可正常使用。

4 荷载试验局限和不足

通过以上实例我们可以看出，荷载试验对鉴定桥梁实际承载力，评估桥梁技术状态起到极其重要的作用，它能够准确测试桥梁的实际运营状态下的各种参数，为桥梁技术人员提供了大量丰富的实测数据，根据这些技术资料，我们不仅可以更加科学、合理的管理、使用我们的桥梁设施，更能够不断总结经验，推动我们设计理论水平的不断提高，具有很高的社会和经济价值。

同时我们应看到，虽然桥梁荷载试验目前被广泛应用，但仍有些问题需要解决。