荷载试验在桥梁检测中的应用分析

黄富兴

（广东恒泰公路工程有限公司，广东 梅州 514087）

0 引言

随着我国经济的迅速发展和基础交通设施网的扩大，公路桥梁工程建设规模也逐渐增加，同时对桥梁结构的质量控制更加严格。为了确保桥梁的承载能力和运营寿命满足设计文件要求，必须对其进行质量检测。近年来，国内外学者和工程技术人员针对桥梁检测技术开展了一系列研究，虽然使测量设备和测量技术不断进步，桥梁设计的计算理论更加完善，但是仍未形成统一的学术观点[1-2]。为了确保行车安全，必须结合项目的实际情况制定相应的检测方案，不能盲目照搬其他项目。因此，进一步分析、探讨荷载试验在桥梁检测中的应用具有十分重要的工程意义。

1 桥梁荷载及荷载试验分类

1.1 桥梁荷载分类

桥梁荷载分类方法并无统一标准，一般包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载。

1.1.1 永久荷载。永久荷载是指在桥梁结构使用期间，不随时间变化或变化较小、基本可以忽略的荷载。永久荷载主要有上部结构及附属设备重力、墩台重力、土压力、水浮力等。值得注意的是，在结构使用极限状态设计时，预应力应视作永久荷载，在承载能力极限状态设计时，预应力应作为结构抗力。

1.1.2 可变荷载。可变荷载是指在桥梁结构使用期间随时间变化较大的荷载。可根据其对桥梁运营安全性的影响大小划分为基本可变荷载和其他可变荷载两大类。前者包括车辆荷载、人群荷载、汽车冲击力及车辆荷载在桥台后填土产生的土侧压力等；后者包括风荷载、汽车制动力、流水压力、冰压力等。

1.1.3 偶然荷载。偶然荷载通常是指桥梁工程在运营过程中出现概率低，但对桥梁结构的安全性影响巨大，且持续时间很短的荷载，主要包括地震荷载、船舶或漂流物撞击力等。

1.2 桥梁荷载试验分类

桥梁荷载试验涉及桥梁结构的计算理论、试验测试技术、仪器仪表性能、数理统计等专业知识，具体分类方法及基本特征见表1[3]。

表1 桥梁荷载试验分类

2 桥梁结构荷载试验的基本理论

2.1 静载试验分析

2.1.1 静载试验程序

静载试验流程如图1所示，主要可分为以下三个阶段[4]：第一，试验方案设计及准备阶段。试验开始之前，应明确试验的要求和目标，并参考设计图纸、文件等，制定出经济合理的试验方案。试验方案制定完成后，及时搭设试验脚手架，对加载、卸载位置进行放样，并提前准备好加载所需的重物。第二，试验加载与观测阶段。加载与观测是静载试验的关键环节。这一阶段需要遵循预先制定的试验方案，并选择合适的加载方式和加载设备进行加载。加载时，负责数据记录的技术人员应将试验测得的各种指标与理论计算结果进行对比分析，以判断此时的结构受力是否正常。第三，数据分析阶段。原始测试资料往往杂乱无章，条理性和规律性较差，其中可能包含大量的观测数据、现场文字记载和图片等材料，故需要利用数理统计知识或专业的数据分析软件对原始资料进行科学分析。

2.1.2 静载试验开展的原则。为了确保静载试验能更加准确地测定、评价公路桥梁的安全性和技术状况，在开展荷载试验的过程中，应坚持以下几个方面的原则：

（1）试验跨选取。技术人员在制定试验方案时通常选择结构中受力最不利、施工质量相对较差的桥跨作为研究对象。桥梁在施加荷载过程中自身会受到压力，所选择的试验跨既要能反映出结构的受力变形特性，又不会对桥梁结构造成新的损伤。

（2）各控制截面内力、各控制点变形等效。

（3）荷载效率系数不宜过小或过大，宜控制在0.85～1.05。荷载效率系数过小无法真实表示桥梁在运营期间的工作性能，荷载效率系数过大可能导致局部损坏开裂，对桥梁的安全性评价不利[5]。

2.1.3 测点设置、工况选择。静载试验的荷载工况选取应以“最不利受力状态”为原则，结构形式简单的桥梁可选取1～2 个荷载工况，结构形式复杂的桥梁可选2～3 个主要的荷载工况。

静载试验的测点设置与荷载工况密切相关。主要测点的数量不宜过多（通常可布设3～5 个测点），但应能准确测量出受检跨和相邻跨的最大应力（位移）。在条件允许时，同一测点可通过不同的测试方法相互校对。连续箱形桥的顶板、底板、腹板测点宜分别布设十字应变花、十字应变花、45°应变花。对于预应力混凝土结构，可在混凝土表面贴上标距为5mm×150mm 的应变片。

2.1.4 静载试验荷载效率系数。静载试验荷载效率系数计算公式如下[6]：

式（1）中：

Ss——桥梁结构控制截面内力的计算值；

S——桥梁结构控制截面最不利内力的计算值；

μ——冲击系数。

由上文可知，静载试验荷载效率系数宜控制在0.85～1.05。当桥梁的调查、检算工作较完善且加载设备能力有限，ηq可取低值；反之，ηq应取高值。

2.1.5 加载方式确定。静载试验加载主要有重物加载和车辆加载两种方式：

（1）重物加载。该加载方案简单，可通过直接在桥面堆放重物或设置水箱加载，但前期准备工作量大，加卸载周期较长，交通中断时间长。如果采用重物直接加载于桥面，不宜一次加载，应将重物化整为零后逐级加载；如果选择水箱加载，难以直接测定水的重力时，可利用水体积×密度进行换算。

（2）车辆加载。车辆加载具有便于调运、加卸载迅速等优点，既可以做静载试验又能做动载试验，应用较广泛。车辆可选择装载重物的汽车或平板车，重物应平稳放置在车内。车辆加载时，驾驶人员应将车辆逐辆开上称重台，并进行称重。

2.2 动载试验分析

由于引起桥梁结构振动的振源及结构自身的振动响应均随时间动态变化，动载试验相对于静载试验具有一定的特殊性。动载试验也分为准备、试验、分析三个阶段，一般采用精度高、量程大、稳定性好的电测仪器对现场实桥进行非破坏性试验。动载试验测试系统的原理如图2所示。

2.2.1 动载试验的加载方式。动载试验的加载方式包括跑车试验、刹车试验、跳车试验。跑车试验指车辆以不同速度在桥面匀速行驶的试验，行车速度可取10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h。刹车试验是指车辆先以不同速度在桥上规定地点刹车，再重新启动进行试验。刹车试验时行车速度较低，不宜超过40km/h。跳车试验前需在桥面设置障碍物，随后车辆以不同速度跨越障碍物进行试验。障碍物的高度和车辆的行驶速度均不宜过高，否则会对车辆及驾驶员的安全产生不利影响。

2.2.2 冲击系数计算。通常用冲击系数来考虑车辆荷载的动力效应，冲击系数的计算可利用各个控制截面测点的动应变或动挠度曲线，具体计算公式如下：）

式（2）中：

ymax——动载作用下测点的最大应变或挠度；

ymean——静载作用下测点的最大应变或挠度；

μ——冲击系数。

3 基于有限元的桥梁荷载实例分析

以某预应力连续小箱梁桥为研究对象，利用有限元软件ANSYS 建立计算模型，分析了跑车试验下桥梁结构各测点位移的变化规律。

3.1 工程概况

研究项目为广东某地区改造公路，公路等级为一级。某大桥原为3m×30m 钢架拱桥结构，改造拟将原桥拆除重建。新建的桥梁设计上部结构采用4m×25m 预应力连续小箱梁结构，先简支安装，后结构连续，下部结构采用柱式桥墩，钻孔灌注桩基础，桩直径1.4m，墩直径1.2m。

3.2 计算模型建立

为了更加准确地模拟该桥的受力特征，模型中的边界条件、质量和刚度等参数应与实际结构尽可能地保持一致。桥梁结构模型的建立流程主要包括：CAD导入几何模型—定义桥梁结构各部位的材料属性—施加墩梁处的荷载及边界条件—确定网格尺寸、划分单元格—模拟恒载作用下桥梁结构的应力应变状态。

单元选择：小箱梁及其横隔板采用节点自由度为6 的She1163 三维壳体单元，该单元既可承受面内荷载也能够承受面外荷载，其余部位采用BEAM4 单元模拟。

网格划分：在综合考虑计算精确和计算效率的前提下，对桥面尺寸加密，网格尺寸取0.2m，其他部位网格尺寸取0.4m，共划分出12663 个节点，10885 个单元，如图3所示。

3.3 桥梁位移计算

利用有限元软件进行计算车辆分别以20km/h、40km/h、60km/h 的速度匀速通过桥面时（相同速度重复行驶2～3 次），桥梁结构第一跨的跨中动挠度，计算结果见表2。

表2 不同行车速度下桥梁结构的动挠度

计算结果表明：车辆通过桥面速度越快，各测点的动挠度越大，且两者之间基本呈线性变化。当车速达到60km/h 时，测点的动挠度最大，此时测点1 和测点2 的动挠度分别为0.81mm、0.47mm，相应的动力放大系数分别为1.11、1.22。

4 结论

本文研究了桥梁荷载试验的分类方法、静载试验和动载试验的基本理论，并依托实际案例分析了跑车试验下各测点位移的变化规律。主要得到以下结论：其一，桥梁荷载试验是一项复杂的系统工程，可按照试验内容、试验对象、破坏性等进行分类；其二，桥梁结构的静载试验可分为试验方案设计及准备阶段、试验加载与观测阶段、数据分析阶段，其加载方式有重物加载和车辆加载两种；其三，动载试验的加载方式包括跑车试验、刹车试验、跳车试验，通常利用冲击系数来模拟车辆荷载的动力效应；其四，桥梁结构各测点的动挠度会随车辆通过桥面速度的增加而变大，且两者之间呈线性正相关。