动静荷载试验在桥梁检测中的应用

2021-12-04江西省交通运输科学研究院有限公司俞文彬刘炎

人民交通 2021年21期

江西省交通运输科学研究院有限公司/俞文彬刘炎

桥梁是交通枢纽中重要的组成部分，桥梁结构的安全关乎着每一个公民的人身财产安全，因此，对桥梁结构工作性能的准确判断显得尤为重要，然而，经常性检查、定期检查等常规性检查往往很难发现桥梁结构中的隐蔽缺陷，恰好荷载试验可以实现。随着计算机和高灵敏低功耗传感器等技术的快速发展，荷载试验在实际工程中的应用更加普遍和成熟，桥梁结构的施工质量是否满足设计要求，运营桥梁的实际工作状态和实际承载能力是否符合安全适用要求都可以通过荷载试验来准确掌握，相比于静荷载试验，动荷载试验具有方便易行、快速和低成本等特点，是桥梁检测技术的研究和发展方向。

一、桥梁工程概况

某桥梁总长为155m，由不同时期建造的两桥并列组成，两座桥梁间距3.35m，跨径相同，且均采用简支梁结构。两桥采用双柱式钻孔灌注桩基础和双柱式加盖梁墩、台，因不同时期建造，上游桥墩直径0.8m，下游桥墩直径1.0m；桥梁道路设计为双向四车道，双向车道宽7.0m和9.0m，桥梁中央隔离带宽3.35m，南北两侧人行道宽1.0m和0.7m。经调查，本桥结构已严重损坏，初步判断为危桥。现根据本桥的实际情况，对上游桥的桥梁进行动静荷载试验并进行分析。

二、荷载试验检测技术要求

(1)所检桥梁试验跨上、下部工程混凝土强度均采用回弹仪或超声波进行检测。

(2)按照规定，对桥梁试验跨进行全面细致的外观检查，检测报告中应分类详细列表写明存在的各种质量缺陷(如裂缝、掉块、露筋等)，标明位置并计算缺陷占总面积的比例，缺陷严重部位应附有照片说明。

(3)通过静载、动载试验，判断桥梁结构实际承载能力，评价其在设计使用荷载下的工作性能。

(4)检测报告对存在的质量问题中应客观明确指出，写明是否存在影响结构安全的严重质量缺陷，特别应说明主要受力结构是否需要或进行过加固和补强。

三、桥梁荷载试验的意义

（一）保障桥梁运营安全，延长剩余使用寿命

（1）随着交通量和车辆轴载的不断提高，早期修建的公路桥梁常年处于超负荷运营状态，老旧桥梁在反复疲劳荷载和复杂外界环境的综合、持续作用下，桥梁各项机能均处于不断劣化和下降趋势，一旦外部作用力突破桥梁承载极限，将给公路的正常通行埋下重大安全隐患；因此，针对老旧桥梁开展定期检测，不仅可以动态掌握桥梁的真实运营工况，而且能够第一时间发现桥梁存在的主要问题，对于保障桥梁运营安全具有重要“兜底”作用。

（2）除保障运营安全外，定期开展桥梁试验检测，从而有序、合理地开展养护加固处治，能够极大地延长桥梁的剩余使用寿命，对于助推公路桥梁向低碳可持续方向发展具有重要意义；大量桥梁养护加固施工案例表明，第一时间开展主动、有效的桥梁外观养护和结构加固工作，在考虑大交通量和车辆超载条件下，至少可以保障桥梁达到设计服役寿命，甚至能够实现三类及以上桥梁的超期服役目标。

（二）依托荷载试验数据，提高养护加固的精准性和科学性

（1）广义上的桥梁养护包括外观修复和结构补强加固两部分，外观修复主要以恢复桥梁外观，提高桥梁行车舒适性为目的，使用的养护技术也相对简单，主要包括：裂缝封闭填充、局部凿除灌注等，外观修复对桥梁结构受力及应力响应的影响基本可以忽略；结构补强和加固是提高桥梁结构承载能力和截面抗变形刚度的重要措施，以T梁为例，T梁翼缘板、腹板底部、梁肋板及横隔梁是最常见的薄弱区域，如何确定加固补强时机及加固补强位置必须根据裸桥的荷载应力响应确定，因此，开展荷载试验是制定结构加固补强方案的重要前提。

（2）开展全面、系统的桥梁荷载试验检测，也是实现结构补强加固方案优化的唯一途径，目前应用于桥梁结构补强的技术门类众多，常用的结构补强加固技术包括：粘钢加固法、粘贴碳纤维加固法、增大截面法、体外预应力法等，如何遴选最佳的加固补强方案，以实现桥梁精准结构加固补强目的是未来桥梁养护加固行业的发展趋势；而获取真实、客观的桥梁动静载试验数据，掌握桥梁在各种荷载工况下的应力应变、挠度等参数的变化规律是开展精准加固补强的基础。

四、动静荷载试验在桥梁检测中的应用措施

（一）荷载试验系数分布

（1）根据现场采样数值编制计算方案。（2）对跨中截面参照弹性连续梁的计算方法进行计算。（3）结构荷载设计包括汽车和人群，分别为汽车—15级和人群3kN/m2。荷载试验相关系数如下：1号梁相关系数：汽车荷载系数为0.47、人群荷载分布系数为0.713；2号梁相关系数：汽车荷载系数为0.476、人群荷载分布系数0.457；3号梁相关系数：汽车荷载系数为0.4、人群荷载分布系数为0.2。

（二）静载试验

1.初始状况调查

静载试验前需做好准备工作，全面检查桥梁的关键结构，分析其是否存在漏筋、破损等问题，同时检验支座的使用状况。

2.成桥线形测量

为保证静载试验结果的可靠性，需测量桥面的完整线形，检查条件为现场温度稳定且不存在荷载作用。

3.静载试验内容及方法

（1）布置控制截面。主梁活载正弯矩控制截面为A-A截面、C-C截面，负弯矩控制截面为B-B截面。试验期间加强对各控制截面的检测，同时测量主梁，掌握其在各阶段的变形情况。

（2）布置挠度测点。挠度测点布置在两侧的防撞护栏处较为合适，共布置34个测点。

（3）布置应变点。设置A、B、C共3个截面，根据具体情况布设合适数量的应变测点，分别为A截面20个、B截面23个、C截面20个。

（4）观测裂缝。在正式试验前组织观测，分析裂缝的具体情况，重点关注对象为合龙段顶板处的纵向裂缝。

（三）桥梁的阻尼比和自振频率

采用自谱分析方法得出桥梁自身动力性能。当载重汽车的行驶速度分别为20km/h、40km/h时进行时域波形与自谱分析。基于脉动条件，桥梁自振频率范围为：2.483Hz～3.422Hz时，对应的阻尼比范围为0.036～0.111；基于车载条件，自振频率的主要成分位于3.5Hz附近时，阻尼比为0.0123左右。由相关规范数据的测算，本桥梁结构的自振频率约为10.31Hz，但试验测试值小于计算值；桥梁实际阻尼比为0.121，超出0.01～0.08的正常范围。桥梁的实测频率小于计算频率，因此桥梁刚度相对较差。

（四）行车试验

1.无阻碍行车试验

以桥面无任何障碍物为基本前提，试验设备为2辆40t的重载汽车，行驶速度控制在10～50km/h。在此条件下开展试验，根据测定结果对结构的动力响应情况作出判断。动扰度测点统一布设在中跨A-A桥面截面位置，采用高精度的挠度仪检测动挠度，再根据所得结果分析冲击系数。分析试验结果可知，动力系数实测值普遍集中在1.015～1.028，略小于规范中的冲击系数值。

2.有阻碍行车试验

鉴于桥面存在阻碍的情况，应模拟桥面的不平整状态，在中跨A-A截面布设厚度为7cm的弓形模板，将该部分装置视为桥面障碍，在此条件下开展有障碍行车试验。试验车辆为2辆40t重载汽车，全程行驶速度控制在10～30km/h，在发生行车荷载动力响应后及时检测桥面结构。实测结果表明，动力系数普遍为1.06～1.153。

通过对有无障碍行车试验结果的分析可知，若行车速度保持一致，则有障碍行车试验得到的冲击系数实测值更大，而无障碍行车试验所得的结果相对偏小，这意味着车辆在不平整的桥面处通行将形成较强烈的冲击作用。试验结果表明，桥梁的各项关键力学指标均得到有效控制，满足规范要求，根据实测结果绘制的曲线精准度较高，与理论分析结果相比仅存在微小差异，差异在许可范围内；试验全过程中桥梁结构未出现受力裂缝，既有裂缝也无明显的发展趋势，裂缝病害对桥梁结构的影响较为微弱。总体来看，桥梁结构的稳定性较好。