桥梁工程的荷载试验方法研究

张造国，吴毅斌

(1.湖南省公路设计有限公司;2.湖南华罡规划设计研究院有限公司)

1 荷载试验内容

1.1 桥梁外观检查

试验前对试验桥跨结构外观质量进行检查，主要内容为:(1)各测试截面处外观检查。(2)支座、伸缩缝、桥面等外观检查。

外观检查采用向有关部门(业主、监理处、施工方)调查、现场检查相结合的方式进行。荷载试验前，对桥梁各测试截面处的上部结构、下部结构、桥面及附属设施、伸缩缝、支座等进行现场外观检查，以查明各部位的实际技术状况，特别是对荷载试验结果有直接影响的问题，如上下部结构物的裂缝、缺陷和损坏等，并在试验过程中随时注意观察其变化，检查支座有无偏位、破损情况;在加载试验过程中和试验结束后，也要对受加载影响较大的部位进行详细的检查。

1.2 静载试验

静载试验是按照预定的试验目的和试验方案，对桥梁的使用承载力及工作状况作出综合评价，以确定结构的实际工作性能与设计期望值是否相符，在桥梁工程的荷载试验方法中，桥梁静载试验是一种最直接、最有效的方法。

具体说来，静载试验在进行桥梁检测的过程中，应遵循两个原则:一是控制截面内力、各控制点变形等效的原则;二是荷载效率系数要适宜。在控制截面内力、各控制点变形等效方面，对车辆的数量和布载位置进行计算，以得出各试验工况下的数据。在荷载效率系数方面，荷载效率系数不宜过小也不宜过大，要适宜。荷载效率系数过小，影响桥梁的工作性能;而荷载系数效率过大，则容易造成桥梁结构的局部损坏。一般来说，适宜的荷载效率系数应控制在0.8～1.05之间。

1.3 动载试验

测定主桥结构的自振特性、受迫振动特性、动位移等。动载试验项目分为三种，即无障碍行车试验、刹车试验和桥梁自振特性测试试验。其中，桥梁自振特性测试试验主要用于测定结构的固有频率振动特性。

2 静载试验方法

2.1 静载试验荷载效率

静载试验的准确程度取决于荷载效率系数，根据设计荷载标准，在进行静载试验的时候，按照规范计算出试验荷载。静力荷载效率的计算公式为

式中:Sstat为试验荷载作用下检测部位变形或内力的计算值;S为设计标准荷载作用下检测部位变形或内力的计算值;δ为设计取用的动力系数，取为1。

2.2 加载及卸载程序

(1)预载。一般结构的静载试验方法，在正式加载前，应用2辆加载车在被测试桥跨上来回反复通行2次，使试件接触良好、进入正常工作状态，对桥跨进行预压，消除非弹性变形。预压后，非工作人员退场，待一切工作安排就绪，进行第一次空载读数。

(2)加、卸载。考虑到结合实际工程桩的荷载特征，为了获取结构试验荷载与变位的相关曲线，可采用多循环加、卸载法，对控制截面试验荷载分成3级加载和1次卸载。每次加载和卸载的持续时间取决于结构变位达到稳定标准时所需的时间。

为了保证试验质量，气温的变化对荷载试验也有一定的影响，在进行荷载试验选择在气温变化5℃以内，而结构温度在荷载试验的过程中，也提出了新的要求，结构温度趋于稳定的时间间隔内进行，单一静载工况前后气温变化不大于1℃。

3 动载试验方法

3.1 测试基本原理

可选用BJQN-4B测试仪器进行动载测试，在桥梁测试断面上安装一个测试靶，在靶上制作一个光学标志点，通过光学系统把标志点成像在CCD的接收面上，当桥梁在动载作用下产生位移时，测试靶也跟着发生位移振动，通过随时测出靶上标志点在CCD接收面上图像位置的变化值，就可以得到桥梁位移值。其最小可测量的分辨率由CCD器件像元的宽度大小决定，最大测量范围由镜头的视场角、光学系统放大率和CCD有效像元阵列长度决定。

3.2 测试方法

在桥梁上被测位置处，安装标定器靶标，安装好三角架，连接好主机和测试头、主机与计算机之间的连线，打开计算机，启动软件进行动态测量，正确选择主机功能键，标定好系数，开始测试，测试前记下每个工况下的文件名，随时监测测试曲线，直到每个工况做完。

4 某桥梁工程荷载试验实例

正龙山水库大桥桥型如图1所示。选取的挠度、应变测试断面为1-1～9-9。

图1 正龙山水库大桥挠度、应变测试断面示意图(单位:m)

选取如图1所示的1-1～3-3截面及5-5～9-9作为挠度的测试截面。每个测试截面的测点布置见图2。据上述测试内容，采用TOPCONAT.G2型号精密水准仪和DNA03型号水准仪在桥面上对测试截面的挠度进行同步观测。

图2 挠度测点布置图(单位:m)

选取如图1所示的2-2、4-4及6-6截面作为应变的测试截面。采用外贴式电阻式应变片，每个测试截面的测量应变的应变片布置见图3。采用应变采集仪对每个测点的应变进行测试。

图3 应变测点布置图(单位:m)

拟定进行以下4个工况的静载试验项目:(1)工况一:纵桥向按主桥第2跨(主跨)跨中最大正弯矩布置荷载，横桥向为偏载，控制截面位置见图2的6-6截面;(2)工况二:纵桥向按主桥第2跨(主跨)跨中最大正弯矩布置荷载，横桥向为中载，控制截面位置见图2的6-6截面;(3)工况三:纵桥向按主桥第1跨(边跨)最大正弯矩布置荷载，横桥向为中载，控制截面位置见图2的2-2截面;(4)工况四:纵桥向按第2号墩(主跨支点)最大负弯矩布置荷载，横桥向为中载，控制截面位置见图2的5-5截面。

为节省篇幅仅将部分试验结果给出如下。在工况一各级荷载作用下，左侧挠度测试结果及与理论值比较如表1所示。

表1 左侧挠度实测值及与理论值比较表(单位:mm)

在工况一下的左侧挠度变化曲线如图4所示。

此桥选定第1跨的L/2截面作为动力荷载试验测试断面。无障碍行车及刹车试验均采用一辆350kN的重车，其中跑车分别以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h速度驶过试验桥跨，刹车分别以20km/h、30km/h速度行驶试验桥跨跨中截面中线处进行紧急制动。在不同车速跑车或刹车作用下，各工况的最大动挠度和冲击系数见表2。

图4 左侧挠度变化曲线(工况一)

表2 不同工况下冲击系数和最大动挠度表(单位:mm)

试验跨跨中截面的动位移时程曲线如图5所示(部分结果)。

图5 10km/h无障碍行车的位移时间曲线

5 试验结论

(1)实测的弹性变位值均小于理论计算值，该桥总体刚度满足要求，且残余变形都小于0.2，说明结构处于弹性工作状态。

(2)在静载试验期间，未发现可见裂缝。

(3)动载试验表明，此桥的自振频率实测值比理论值大，表明此桥的实际刚度比理论刚度大;当试验车以不同车速驶过桥跨或刹车时，冲击系数测试的结果略大，这就要求注意保持桥面铺装良好，防止出现凹凸不平桥面。

综上所述，在设计使用荷载作用下，桥梁整体工作性能良好，处于弹性工作状态，各项检测指标满足设计要求，可以投入营运。

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