公路桥梁检测中荷载试验的应用研究

孙艺恒

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

0 引言

一般公路桥梁本身在经过长期使用之后，公路自身的桥梁承载能力以及相应结构的稳定性也会出现一定程度的变化，这些变化会使桥梁的质量以及桥梁自身的承载能力全面降低。如果公路桥梁的承载能力下降到了一定的程度，还未采取相应的措施就会出现一些安全隐患。因此，需要对已经在使用过程中的公路桥梁的承载能力进行定期的检测，在新建公路桥梁过程中以及投入使用前也需要进行相应的检测，从而保证公路桥梁的质量。公路桥梁的质量和承载能力具有密切的联系，直接关系群众生命财产的安全。

1 公路桥梁的基本类型

按结构体系来分，公路桥梁工程主要包括斜拉桥、钢架桥、梁式桥等。当前，在部分公路桥梁工程的施工中，用得最多的材料是钢筋和混凝土，如果是景区桥梁工程的话，占比较大的是石板桥梁、土质桥梁等工程类型。对于公路桥梁工程的建设设计，首先我们要深入了解不同类型桥梁工程的特点和建设重点。施工材料消耗小、外形美观及结构复杂度较高，具有出色的稳定性等，只有在拱式桥上才能体现出来，但建设过程中对周围环境的标准较为严格，尽量选在平坦地带进行作业，并结合实际情况将桥面的标高调整到最佳状态。悬索桥一般在大型与超大型桥梁工程建设中比较常见，但需要投入大量资金，另外施工的难度系数较高，因此基本不会被施工方采用。梁式桥的特点包括适用范围广、外形美观和持久耐用等，但缺乏一定的跨越能力，仅限于中小跨径桥梁施工。钢架桥建设用不到太多混凝土材料，因为本身的结构尺寸就比较小，但钢筋的消耗量却很大，导致工程的造价成本迅速拉高，比如立交桥、高架桥都属于钢架桥类型。斜拉桥的跨越能力十分出色，梁体尺寸较小，一般用在无支架施工中，但对应的施工技术标准非常严格，常见于中等或大型桥梁工程的建设中。

2 荷载试验概述

荷载试验是用于检测公路桥梁的方法之一，它具有较强的直观性，指的是对公路桥梁的结构施加适当的内、外部压力，再对其内部与外部结构状态的变化进行观测。在实际检测公路桥梁时，一般荷载试验包括两种不同的情形，即动荷载试验、静荷载试验。二者相比之下，在检测技术难度、具体要求、试验结果的准确度、过程的复杂性以及反映公路桥梁真实荷载承受能力等方面，动态荷载试验都要比静态荷载试验要更占优势[1]。

3 荷载试验检测对象选定

使用新技术工艺、新施工材料的桥跨结构；为特种车辆提供通行条件的新结构桥梁与旧结构桥梁；新建或改扩建的公路桥梁，包括已加固过的在内。

以上所提到的几种公路桥梁在施工质量、性能及结构方面存在不确定性，所以在应用的过程中，是必须要开展荷载试验的，为了对工程项目的施工效果进行验证，一般要基于等效荷载试验、模拟荷载试验等技术工况，严格按实际轴重、轮位来鉴定公路桥梁设计和施工参数等，见表1，判断其是否具备承受相应荷载的能力，避免在使用期间发生安全方面的事故。

表1 桥式加载试验截面和内容

4 荷载试验在公路桥梁检测当中的应用

4.1 公路桥梁检测当中的动荷载试验

在进行对于功率桥梁检测试验的时候，具体的试验需要根据公路在使用情况当中的变化以及振动进行分析研究，进而分析出公路桥梁的实际结构强度和相应的性能，在本次试验中我们根据不同的需求划分两个试验模式具体如下。

其一，跑车试验如字面意思，在修建的道路当中车辆行驶的试验，分析车辆行驶过程中震动的情况，对于荷载试验中主要针对公路桥梁的试验方案模式，主要用于检测分析公路桥梁的实际结构以及相关的性能，保障桥梁的稳定性和安全性。

其二，跳车试验主要是分析研究如果公路的桥梁收到了来自车辆的冲击耐受力，在具体的试验过程中车辆需要跨过一定的高度，高度需要控制在15cm，减少桥梁结构的衰减及性能分析，检测震动的性能和特点。

表2 桥梁校验系数

第一频域分析：通过数字化处理公路桥梁结构衰退下的跑车试验与跳车试验的时域信号，将公路桥梁的荷载分布、结构性能逐一确定下来。

第二时域分析：调节到振动模式，分析公路桥梁结构随时间的频谱图物理试验参数结果变化曲线、影响系数及自然频率等，采取这样的方式，就可以实现对公路桥梁结构的动态刚度、时域信号频率组合等参数的确认。

第三结构动力学分析：根据相关的图纸，基于上述的频域、时域分析结果，通过一阶、二阶与更高阶频率进行测试，可以直观地展示出公路桥梁结构的动力学性能，一般理论值都要比试验的测定值大一些，意味着公路桥梁的结构缺乏足够的刚度，开裂的概率较高；与之相反，还可以用测试系统软件分析半功率带宽计算功率谱图方法下的公路桥梁的测定值，通常不出意外的话，公路桥梁的桥阻率是在0.01～0.08 左右，阻尼越小，意味着桥梁结构轴承是不正常的，后期出现结构性裂缝或其他问题的可能性大[2]。

4.2 公路桥梁检测当中的静荷载试验

静荷载试验是在公路桥梁振动结构的模式下，使用传感器设备，将各结构部位的振幅、相位全都收集起来，作为振兴型曲线图绘制的数据来源，在多次比较后，对数据的真实性做出评价。在此期间，技术人员要综合改进原有的静荷载方案，比如桥梁有几个桥孔，桥孔、桥墩要如何进行计算等。在此基础上，判断公路桥梁结构有无出现质量问题的可能性，并且随着使用时间的不断延长，会有哪些质量缺陷发生。

4.2.1 静荷载试验准备工作

在静荷载试验前，试验方案的制定要综合考虑公路桥梁检测的需求与试验环境等因素，对预设环节按条件要求做好细节规划，准确规定出需要用到的加载设备、材料等，关于试验技术人员与施工人员的安排，要求以经验丰富者优先，保证规范和安全。深入分析公路桥梁的数据资料，保证试验建立在桥梁结构上具有足够的了解。

4.2.2 开展静荷载试验前要先考虑安全性问题

对于试验中可能遇到的一些问题，我们可以采取防范措施进行处理，安排安全员在旁陪同，设置安全设施为试验的安全进行创造条件。另外，还有安全防范措施、事故应急预案等都能起到一定作用。评析静荷载试验的所得结果，应从理论方面作为切入点，评价整个桥梁结构的可行性，同时也是在验证试验数据是否准确。对于桥梁结构、静荷载试验的评估，一般分为两个方面，一方面评估分析规定要求的允许值、监测点的实际值，另一方面合理解释结构的所处状态。以控制测点的实际值、理论计算值作为参考依据，就能判定出桥梁结构是否足够安全[3]。

5 工程案例分析

5.1 工程概况

京沪线的高铁配套工程公路规格为4m×30m 的小箱梁，对箱梁的高度确定为1.6m，实现对于桥面的横跨链接。桥梁的设计荷载等级达到公路-I 级标准。结合简支箱梁的结构受力特点分析，将对应的控制截面确定下来。

5.2 试验方案

5.2.1 静荷载试验

本试验用桥梁博士V3.03 版进行结构计算，选取梁单元模拟，静荷载在箱梁间的分配跨中以钢接板梁法为主，对于支点部分则是对杠杆原理进行利用。依据计算结果看，控制断面内力中四车道偏载控制的占比为100%，根据测试断面内力影响线，纵桥向分别按2-2 断面、3-3 断面最不利布载。如表3为实际的工况加载效率。

表3 静荷载试验效率系数

5.2.2 动荷载试验

本次试验将在试验的过程中我们需要设定相应的拾振器，结合相应的曲线功率谱，计算出结构中的竖向基频机械能和阻尼比。

一辆试验小车以10km/h 的速度通过平整桥面、有障碍桥面，再将速度改为30km/h，期间把试验跨中振幅时程信号详细记录下来，并对有载状态下的桥梁强振频率、跨中最大振幅进行测定。

5.3 试验结果

在本次的试验当中我们可以看出，试验跨小箱梁多个界面的应力以及系数都维持在1 以下，证明本标量箱梁的抗弯以及抗剪强度较高，满足相关的标准。

通过本次的试验分析可知，桥梁的动力性能指标和相应的规范完全相同。通过本次的静荷载试验，我们可以清楚地了解到数据和分析的评定结果，对于静荷载试验的相关数据的分析和整理也需要从理论分析和探索的角度进行考虑，这对于整体的桥梁结构给出相应的评价模式，也是对试验数据进行相应分析的过程和阶段。在进行桥梁结构静荷载试验的估算试验中存在两种指标：首先，相关规定允许值以及相应的监测点进行分析比较，对于公路实际结构的工况情况进行分析研究；其次，需要根据控制测量过程中出现的实际值，按照相应的理论计算值进行分析研究，从而了解到公路桥梁的安全性和实际的性能。

6 结语

在区域社会经济的发展过程中，公路桥梁工程不仅是一项特别关键的基础设施项目，还是促进区域发展的核心动力来源。目前，随着交通流量的与日俱增，社会对公路桥梁的使用寿命、运输能力、承载能力等提出了全新的标准，为了使公路桥梁工程的建设质量得到充分的保障，伴随着施工技术的持续高速发展，为公路桥梁的建设工作注入了强劲动力，出于对施工质量的考虑，在检测公路桥梁结构时，要采取荷载试验的方法对其质量水准、结构性能等做出评估。本案例工程在进行动态荷载试验及静态荷载试验检测之后，根据最终结果来看，静态荷载的试验效率n是在0.95～1.16，相应的最大弯矩荷载是1.17，与试验规程完全一致；但是主梁加载挠度的检验系数只有0.520～1.230，与25 吨载重汽车荷载的施加要求存在较大出入，实际的通行能力不能超过10 吨。所以，后期的技术加固、桥梁养护工作必须跟进到位。总而言之，在现阶段的公路桥梁的体系中进行荷载试验是非常关键且必需的，进行荷载试验之后可知公路桥梁体系工程在不同的模式和条件荷载能力以及相应的震动特性进行分析，可以保证公路桥梁的施工效果，全面减少公路危险事故的发生，全面提高我国公路产业的安全性和稳定性，从而更好地保证我国广大人民群众自身的财产安全，保证我国已经投入到使用过程中的桥梁质量和安全性。