荷载试验在桥梁检测中的应用

桂永旺 万娇

摘 要：桥梁结构形式多样，在后期投入使用后可能因为偶然因素、超载超速车辆通行等原因出现结构变形、失稳等问题，影响桥梁的正常使用。为检测桥梁的各项指标，相关部门需根据桥梁规模和特点规范开展荷载试验，通过试验结果来养护、维修桥梁。重点分析了桥梁检测中荷载试验的应用要点，对桥梁检测具有指导与借鉴价值。

关键词：桥梁检测；荷载试验；应用

中图分类号：U445                                   文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2023）05-0098-03

0 引言

桥梁检测在保障桥梁正常使用方面起到了至关重要的作用，荷载试验则是检验桥梁结构承载力的最直接手段，可用试验结果指导桥梁养护管理、维护加固等工作，以便于发现桥梁工程的质量缺陷，及时消除桥梁工程安全隐患。行业内针对荷载试验工作制定了相应的技术标准与规范，各个桥梁检测中都需根据自身情况，优化荷载试验流程，科学制定试验方案，规范开展现场测试及数据分析整理工作，以获得准确的试验结果。

1 桥梁检测中荷载试验简介

荷载试验应用于桥梁工程能评估桥梁的安全性能。具体的试验过程中，需对待测桥梁施加特定荷载，在此基础上测定、分析桥梁结构的各项力学性能指标。通过这一数值准确评估桥梁的运行情况，判断桥梁是否有质量缺陷、安全隐患，并将试验结果、评估结论作为桥梁交竣工验收、加固改造等工作的依据。荷载试验中一般要借助专业的仪器设备，例如精密水准仪、应力应变采集设备、动态参数采集设备、机电百分表等。荷载试验依据加载类型，可分为静载和动载两种，荷载试验对旧桥梁、改扩建桥梁、加固桥梁与新建桥梁等都十分适用。

开展桥梁荷载试验的意义体现在以下3个方面：①从整体上评估桥梁施工质量，判断桥梁结构承载能力能否满足正常使用的要求，为桥梁结构能否投入使用提供重要依据。②判定在用桥梁的承载力，判定旧桥是否可继续使用，通过荷载试验来评估其承载力是否符合结构安全与稳定的标准。③验证桥梁结构设计理论，利用荷载试验可判定新材料、新工艺是否符合桥梁的结构要求。

2 荷载试验在桥梁检测中的应用方法

2.1 静载试验方法

2.1.1 测点的选定

静载试验是桥梁荷载试验最基本测试方法。在开展这一试验时，需保障所选择的测量点符合要求，一般可将测点设于有代表性的桥跨、易于完成测试过程的截面、外观有缺陷或者易发生病害的桥跨。通过布设测点，可评估结构局部受力情况以及整理受力情况。但考虑到每个桥梁结构的结构形式各有区别，试验过程中应注意加载截面与内容。表1罗列了部分桥型主要测试工况及测试内容。针对不同桥型，需严格按照相关规范要求，科学设定测试工况，并选择测试内容，准确获取桥梁结构的力学性能指标。

2.1.2 荷载加载方式和注意事项

荷载试验过程中，相关人员需注意试验过程中不得损坏桥梁的整体性能。有关人员要计算设计荷载条件下桥梁控制截面的最不利内力值，得到相应的计算结果后，再依据前期所选定的加载方式计算控制截面的内力。可采用汽车加载或者水箱加载的方式。加载时，还需根据实际情况来调整加载位置、荷载大小，以确保试验荷载计算值与最不利内力值的偏差最小[1]。

行业内关于静载试验提出了相应的操作规范与标准，其中明确指出了试验荷载计算值与最不利内力值之比为静力荷载加载效率，这一指标一般在0.85～1.05。试验中需注意，試验荷载加载计算方式有严格要求，控制截面影响线最为常用。计算时需保障加载过程中，在控制截面的试验内力值达到规定加载效率的情况下，其他截面的试验内力值不超过设计内力值。

2.1.3 静载试验的数据分析与评价

当按照相关规定完成了静载试验后，试验人员需对试验数据开展全面分析，以得到更为可靠的结论。

针对静载试验的数据分析与评价，校验系数η为关键指标，指的是桥梁在任一检测位置静载实际测试数值与理论数值的比值。在检测过程中，如果η＜1，意味着该桥梁处于较为正常的运行条件下，受力性能良好，该项指标基本满足要求；当η＞1时，意味着该桥梁运行中的安全风险较大，继续加载存在较大风险，易出现事故，应立即停止试验加载，需及时开展原因分析，及时排除试验方面的问题，若因结构本身的缺陷需及时加固或改造。

2.2 动载试验

桥梁运行过程中振动是一个相对突出的问题，车辆荷载、风荷载等都会引起振动。为此各类桥梁的设计、施工与养护中需重视车辆振动、其他动力荷载的影响。对桥梁的振动问题，可利用动载试验来获得相应的数据。在桥梁中实施动载试验时，要利用某种激振来引起桥梁的振动。在此过程中，检测桥梁的固有频率、阻尼比、动力冲击系数、动力响应等参数，通过处理和分析这些数据，来准确评估桥梁的动力特性、动力响应以及其他使用性能能否处于正常状态。动载试验主要包含以下3种类型。

2.2.1 环境脉动激励试验

动载试验中的环境脉动激励试验十分重要，这一试验与桥梁周围的激励源类型、特性有着紧密的联系。在很多桥梁工程中，其周边的激励源无法确定，设置个别桥梁周围的激励源较多。为正常开展环境脉动激励试验，具体操作时，应使环境脉动激励输入与随机噪声相接近，最终通过分析振动信号来得到相对可靠的结果。

2.2.2 强迫振动法

在利用强迫振动法开展动载试验时，试验人员需配备专门的激振装置。在检测过程中对桥梁施加一定的激振力，引起桥梁的振动，利用共振原理来分析桥梁的动力特点。当在桥梁检测中利用这一方法时，检测精度基本可达到要求。采用这一试驗方法，相关人员能从整体上把握桥梁的结构特性。但这一检测方法下也存在一定的不足，就是有严格的试验条件，为满足试验需求，需短暂中断交通，且试验耗时较长。

2.2.3 车辆冲击试验

车辆冲击试验在现阶段的桥梁工程中应用非常多，但再进一步细分，又包含了跑车、跳车和制动试验3种。如在检测过程中采用的是跑车试验，需使车辆以不同速度行驶过试验桥梁，引起桥梁的振动。在此试验中的动力响应最大频率就是桥梁结构的固有频率，通过这一试验过程与结果也就能分析该桥梁的振幅、冲击系数、阻尼比等参数[2]。试验结果的准确性与许多因素都有关，为提高试验结果可靠性，试验人员需严格遵循试验标准。

3 案例分析

3.1 工程概况

以某跨线桥工程为例，原设计车辆荷载等级为城-A级（CJJ-98），中心桩号K1+130.57，建成于2004年，全长53.09 m，桥面总宽22 m。桥梁上构采用2×16 m装配式钢筋混凝土简支T梁，单片梁宽1.6 m，梁高1.3 m，横向布置10片T梁，每片梁端各设一个板式橡胶支座；下构桥墩采用三柱式墩、桥台为重力式U型桥台。桥面铺装采用8 cm厚防水混凝土，两桥台处各设一道橡胶伸缩缝。根据管养单位提供的资料，曾在该桥桥面加铺9 cm厚沥青混凝土，并在2016年进行过一次维修加固。2016年的维修加固内容主要包括T梁和墩台裂缝修补、横隔板粘贴钢板加固、更换0#台伸缩缝等。依据竣工图纸，桥梁主梁采用C30混凝土，桥墩盖梁采用C25混凝土，其他采用C20混凝土。

有关部门安排专人对该桥梁实施了定期检测，结合检测数据可知，此桥梁在使用的过程中发生了各种病害，如多片T梁出现竖向裂缝，其中4片T梁底板位置有U型竖向裂缝，通过对典型裂缝进行钻芯检测，发生U型裂缝已贯穿T梁腹板厚度方向，裂缝已发展至梁体中性轴以上的部位，个别T梁端部侧面分布有斜向裂缝，全桥技术状况评定结果为D级，桥梁的承载力等无法明确能否满足正常通行要求。为精准把握该桥梁工程的运行和使用情况，相关部门需对该桥梁实施荷载试验。

3.2 静载试验

3.2.1 计算分析

在该桥梁检测中，主要检验上部结构承载力能否满足城-A级通行需求。检测以下内容：最大正弯矩截面正载及偏载，测试主梁应力、挠度、裂缝等指标。计算各段主梁在不同加载条件下的内力值，试验时荷载效率系数在0.96～1.02，满足规范要求。

3.2.2 应变挠度测试

应变检测是桥梁试验检测中的重点内容，检测过程中要配备电阻应变片，并借助数据实时采集系统来采集和分析数据。挠度测试也是静载试验的主要控制指标，可采用光学测量设备或机电百分表进行测试。本桥梁的应力应变检测中，检测对象为第1、2跨的主梁混凝土结构，结合现场的结构特点与检测要求，单个截面总共布设有20个测点。

本桥梁的挠度检测中，检测对象为第1、2跨的跨中截面，安装机电百分表，横向共布设了10个挠度测点。相关人员在规范化检测下得到了结果，依据数值分析，发生应变及挠度实测值远超出计算值，校验系数在加载效率达到60%时已接近1.0，同时控制截面附近梁体裂缝有新增现象。通过对测试现场进一步分析，排除了理论计算及测试方面的问题，说明该桥梁的承载力偏低，在桥梁运行中的安全风险较大[3]。

3.2.3 综合评定

依据检测结果，在试验过程温度及风速均稳定的情况下，桥梁实际承载能力远低于设计值，混凝土结构的强度及抗裂性能不能满足要求，无法满足城-A级荷载等级的通行条件。

3.3 动载试验

3.3.1 测试方法

针对该桥的结构特点，由于无法提供激振措施，本次试验以采集动力特性为主要测试目标，设置了脉动测试工况。采用有限元软件对结构的动力特性进行分析，本桥一阶频率为5.634 Hz。根据建立模型计算的理论振型，对该桥进行测试截面及测点布置，根据规范要求及现场情况，选取该桥第一跨最大正弯矩截面作为测试截面，在靠近行车道外边沿布设拾振器。

3.3.2 实测结果

通过对该桥实测脉动信号的频谱分析得到结构自振频率。自振特性实测结果汇总见表2。

3.3.3 综合评定

通过脉动测试得到该桥实测频率，一阶实测频率为5.250 Hz，其实测频率与理论计算频率比值为0.932，表明桥跨结构实际整体刚度小于理论刚度，与静载试验挠度测试结果相符。

3.4 荷载试验

在本桥梁工程项目中，为精准评估该桥梁的承载力等各项指标，相关人员利用静载试验对桥梁施加了一定的静力荷载。在该试验下，测定了特定荷载作用下的结构响应，得到的试验结果可用于评估本桥梁的承载力。试验过程还包含了应力测试、位移测试与裂缝宽度监测，通过全面整合这些试验结果，发现抽检桥孔在试验荷载条件下的弹性恢复能力较强，强度及刚度设计荷载要求，桥梁的通行能力不足。

3.5 检测结论与建议

通过分析该桥梁的荷载试验结果，结合桥梁技术状况为D级，桥梁无法满足通行需求，处于不合格状态。

针对该桥梁所存在的问题，有关部门在实际的施工中需注意以下4个方面：①由于主要构件病害严重，上部结构承载能力不足，需更换桥梁上部结构板梁，以通过这一处理方式来提升桥梁的荷载等级，为通行车辆提供更为安全、舒适的通行条件。②对现有桥梁墩台钢筋锈胀部位实施除锈处理，并根据实际需求及时修复保护层。③鉴于桥梁墩柱和盖梁部位存在混凝土的剥落现象，为避免混凝土剥落造成桥梁更为严重的质量或者安全问题，影响桥梁的使用，有关部门应组织专人将这些部位的表层混凝土凿除干净，随后通过植筋、外包混凝土的方式来加固，以提升这些部位的结构性能。④当基本的修复、加固处理结束后，相关部门还需为该桥梁设定荷载限值，并加强日常巡查。

4 结束语

荷载试验是桥梁检测中最为常用的方式，当前的桥梁工程领域，采用常规检测手段无明确桥梁承载能力情况下，荷载试验仍是最直接有效的手段。相关部门在桥梁检测中应立足桥梁本身，规范开展荷载试验，通过荷载试验结果的分析来评定桥梁结构安全性、使用性能，为日常养护与维修加固提供参考。

参考文献

[1] 刘志军，刘志勇.论述公路桥梁检测中荷载试验的应用[J].黑龙江交通科技，2020（4）：244-245.

[2] 菅志伟.公路桥梁荷载试验检测在桥梁养护中的作用探讨[J].工程技术研究，2020，5（3）：83-84.

[3] 张国明.桥梁现场荷载试验检测技术[J].广东建材，2020， 36（8）：32-34+4.