动静荷载试验用于桥梁检测的优势分析

黄剑淇

（闽南理工学院，福建 泉州 362700）

0 引言

动静荷载试验作为一种重要的桥梁检测方法，在评估桥梁承载能力和安全性方面发挥着关键作用。随着桥梁建设规模的不断扩大和使用年限的增长，保障桥梁的结构安全和可持续发展变得愈发重要。动静荷载试验可通过施加不同类型和大小的负荷，模拟出桥梁在实际使用状态下所受到的力学效应。本文重点介绍动态荷载试验和静载试验用于桥梁检测的具体应用，前者用于评估桥梁的振动特性和稳定性，后者则用于评估承载能力和变形特性[1]。本研究旨在确保桥梁的安全运行和可持续发展，为社会交通建设做出贡献，为桥梁检测领域的工程师和研究人员提供有价值的参考。

1 动静荷载试验原理

动静荷载试验是基于荷载-响应关系的方法，通过施加不同类型和大小的荷载，观察桥梁结构的响应变化，从而得出结构的力学特性和安全性能[2]。动静荷载试验包括动态荷载试验和静载试验两部分。

1.1 动态荷载试验原理

振动原理是动态载荷测试的核心。它涉及在桥梁结构上引起受控振动并分析其对这些振动的响应。通过使桥梁承受动力，例如车辆负载或阵风，可以实时观察结构的反应。这一原理依赖于这样一个事实，即每个结构都有其独特的振动特性。通过测量固有频率、阻尼比和振型等参数，可以推断出有关桥梁刚度、阻尼能力和整体健康状况的关键信息。

频率分析通过检查桥梁在不同频率范围内的响应，在动态负载测试中起着关键作用。这涉及以不同的频率激励结构并分析由此产生的振动。通过应用傅里叶分析或其他信号处理技术，可以将复杂的振动信号分解为其组成频率，从而能够识别可能影响桥梁动态行为的共振现象、模态特性和潜在的结构异常。频率分析为评估桥梁的动态特性提供了有价值的数据，例如固有频率、振型和谐振频率，这对于了解其对不同载荷条件的动态响应至关重要。

振动响应模型是桥梁在负载下的动态行为的数学表示。它通常涉及根据结构动力学原理制定运动方程，并应用数值方法或分析技术来模拟桥梁的响应。通过开发精确的振动响应模型，可以预测桥梁在各种动态荷载场景下的行为，从而评估其结构性能并识别潜在问题。这些模型是结构分析、设计优化和性能评估的宝贵工具，使工程师能够就桥梁维护、修复或改造策略做出明智的决策。

1.2 静载试验原理

静载试验的原理是评估桥梁在静荷载条件下的结构承载力和稳定性的基础。与专注于动态行为的动态负载测试不同，静态负载测试评估桥梁如何响应稳定负载，例如车辆或行人的重量，而不会引起动态效应。

静态平衡原理是静态负载测试的基础。它涉及对桥梁施加已知的静载荷并测量其响应以确保平衡。根据这一原理，作用在静态平衡结构上的力之和必须为零。因此，应仔细控制和监测施加的载荷，以保持平衡并防止桥梁发生任何意外移动或变形。通过测量静荷载引起的挠度和应变，可以评估桥梁的刚度、承载能力和整体结构完整性。

变形分析是静载荷测试的一个关键方面，重点是测量施加载荷引起的结构变形。通过使用各种仪器技术，如应变片、位移传感器和倾斜仪，来监测桥梁对静载荷的响应。通过分析记录的变形数据，可以识别任何可能表明结构缺陷或过度应力的过度挠度、旋转或沉降。变形分析可为评估桥梁在静态荷载条件下其结构性能和安全性提供参考。

稳定性分析是静态载荷测试的另一个重要组成部分，侧重于评估桥梁在施加载荷下的整体稳定性。通过评估桥梁的抗倾覆、滑动和坍塌等因素，以确保其稳定性和安全性。通过分析桥梁结构内力、力矩和反作用力的分布，可以识别潜在的稳定性问题并采取纠正措施来降低风险。稳定性分析考虑了各种因素，包括桥梁的几何形状、材料特性、基础条件和环境荷载，以评估其在不同荷载下的稳定性。

2 动静荷载试验及分析评估

2.1 前期准备阶段

进行桥梁动静荷载试验需要进行一系列的准备工作以确保试验的顺利进行。主要包括获取桥梁结构参数和确定试验方案，以及安装和校准试验装置。

（1）在实地调查和资料收集过程中，需要获取桥梁的几何尺寸、材料性质和设计参数等基本信息。通过现场测量，可以确定桥梁的长度、宽度、高度等几何尺寸，并获取相关的设计图纸、技术文件和施工记录等资料。此外，还需要了解桥梁所处的环境条件，如地质情况、交通状况等，以便评估试验可能遇到的影响因素。

（2）根据桥梁的结构参数和试验目的，制定试验方案。试验方案应明确试验的荷载类型、大小和加载方式，以及监测参数和监测点的设置。这些都需要根据桥梁的特点和试验要求进行合理选择，以保证试验结果的准确性和可靠性。

（3）根据试验方案，安装相应的荷载装置和监测仪器。荷载装置可以根据试验要求选择合适的设备，如静力加载设备、振动台等。在安装过程中，需要确保荷载装置的稳定性和安全性，并按照试验方案要求进行校准和调整。同时，安装监测仪器也是非常重要的一步。应变计用于测量桥梁的应变情况，位移传感器用于测量结构的变形，加速度计用于测量结构的加速度等。这些监测仪器需要在适当的位置安装，并校准以确保测量数据的准确性和可靠性。

2.2 动态荷载试验阶段

（1）在动态荷载试验阶段，按照设计方案选择合适的振动台来产生不同频率和振幅的振动荷载。振动台可以通过电机或液压系统控制，根据试验要求调整振动频率和振幅。

（2）施加振动荷载后，需要观测桥梁结构的振动响应。为此，使用合适的监测仪器（如加速度计、位移传感器等）来测量和记录桥梁的振动数据。加速度计可用于测量桥梁在不同位置的加速度变化，位移传感器可用于测量结构的位移变化。这些监测仪器能够捕捉到桥梁在动态荷载下的振动特性和响应情况。同时，在试验过程中需要对振动数据进行实时记录和监测。这样可以获得关于振动幅值、振动频率、相位差等参数的数据。这些数据将为后续的数据处理和分析提供参考。

（3）完成数据采集后，需要对获得的振动数据进行处理和分析。常见的处理方法包括傅里叶变换、相关分析等。傅里叶变换可将时间域上的振动信号转化为频域上的频谱，通过观察频谱来了解桥梁的频率特性。相关分析可用于研究振动信号之间的关系和相互作用。

（4）根据数据处理和分析的结果得出结论。这些结论包括桥梁的固有频率、共振情况以及结构的响应行为等。这些结论可以为桥梁设计、改进和维护提供重要的参考和依据。

2.3 静载试验阶段

静载试验是一种用于评估桥梁结构的承载能力和变形特性的方法。在试验阶段，根据设计方案确定适当大小的静态荷载，并施加到桥梁结构上。

（1）根据试验要求选择合适的静态荷载大小。荷载可以通过静力加载设备、液压系统或其他适当的方式施加。根据桥梁的尺寸和设计参数，确定静态荷载的大小并保持稳定，以确保试验的可行性和准确性。

（2）在试验过程中，安装相应的监测仪器来测量和记录桥梁的变形和应力情况。位移传感器可用于测量桥梁的位移变化，应变计可用于测量结构中的应变变化，应力计可用于测量桥梁的应力情况等。这些监测仪器需要正确安装，并进行校准，以确保数据的准确性和可靠性。

（3）按照设计方案施加静态荷载，并记录桥梁结构在加载过程中的变形和应力情况。通常会在不同的加载阶段进行数据记录和监测，以获取全面的变形和应力数据。

（4）通过对测得的变形和应力数据进行处理和分析，可以得到桥梁结构的刚度、变形特性和承载能力等参数。这些参数反映了桥梁在静态荷载下的响应情况，是评估桥梁安全性能的重要依据。根据试验数据的分析和评估结果，可以判断桥梁结构的安全性能是否满足设计要求，并提出相应的改进建议。如果发现结构存在超载、变形异常或应力过大等问题，需要及时采取修复和加固措施，以确保桥梁的安全使用。

2.4 数据分析与评估

在桥梁动静荷载试验完成后，对所获得的数据进行处理和分析是非常重要的一步。通过数据分析与评估，可以深入了解桥梁结构的力学特性和安全性能，并为桥梁的设计、施工和维护提供科学依据。

（1）对试验过程中记录的数据进行整理和清理。包括检查数据的准确性和完整性，并排除任何异常值或错误采样，确保所使用的数据是可靠的和符合要求的。

（2）使用数学和统计方法对数据进行分析。常见的分析方法包括描述性统计分析、频率分析、回归分析等。通过这些方法，可以得到关于桥梁的力学参数、变形特性、应力分布等方面的有用信息。在数据分析的过程中，还可以借助数值模拟方法和结构分析软件对数据进行进一步验证和优化。数值模拟方法可以通过建立数学模型和采用适当的边界条件来模拟桥梁在不同荷载情况下的响应行为。结构分析软件则可以帮助进行更精确和复杂的结构分析，以评估桥梁的安全性能。通过数据分析和数值模拟，可以得到桥梁结构的力学特性，如刚度、强度、位移和应力等。这些结果对于评估桥梁的安全性能非常重要。例如，可以通过比较实测数据和模拟结果来验证模型的准确性，进一步优化设计方案，提高桥梁的安全性和可靠性。

（3）根据数据分析与评估的结果，可以对桥梁的设计、施工和维护提出相应的改进建议。根据评估结果，可以确定桥梁是否满足设计要求，并采取必要的措施来解决任何发现的问题，从而确保桥梁在使用过程中的安全性和可持续性。

3 动静荷载试验在桥梁检测中的优势

桥梁检测是确保桥梁结构安全可靠的重要手段之一。动静荷载试验作为桥梁检测方法之一，在评估桥梁结构性能和预测桥梁行为方面具有诸多优势。

3.1 真实模拟

动静荷载试验可以模拟真实的交通荷载情况，包括车辆行驶时引起的动态荷载以及静止车辆引起的静态荷载。通过施加不同大小和频率的荷载，可以更加真实地模拟桥梁在实际使用过程中所受到的荷载条件，从而更精确地评估桥梁的承载能力和变形特性。

3.2 全面评估

动静荷载试验可以全面评估桥梁结构的性能。静载试验可以评估桥梁在静态荷载下的刚度、变形和应力等特性，而动载试验则可以评估桥梁在动态荷载下的振动响应和疲劳寿命。通过结合动态和静态荷载试验，可以得到桥梁结构在不同荷载条件下的全面性能评估结果，为桥梁的设计和维护提供重要依据。

3.3 效果明显

动静荷载试验可以直观地观测到桥梁结构的变形和响应情况。通过合适的监测仪器记录桥梁的振动响应、位移和应力等数据，并进行数据处理和分析，可以得到更准确的结果。与传统的静态测试方法相比，动静荷载试验能够提供更直观、更客观的检测效果，有助于揭示桥梁结构的实际状况和强度等参数。

3.4 诊断隐患

动静荷载试验还可以帮助诊断桥梁结构的隐患和缺陷。通过观察和分析桥梁在荷载作用下的响应情况，可以发现潜在的问题，如裂缝、变形异常、疲劳损伤等。这有助于及时采取修复措施，避免事故的发生，并延长桥梁的使用寿命。

3.5 数据可靠性

动静荷载试验所获得的数据具有较高的可靠性。试验时使用的监测仪器经过校准和质量控制，可以提供准确和可信赖的数据。通过进行大量的试验和实验室测试，可以验证试验结果的可重复性和准确性，从而增加数据的可靠性。

4 桥梁检测中动静荷载试验的注意事项

（1）仪器校准与质量控制：为了保证试验数据的准确性，需要对使用的监测仪器进行校准和质量控制，包括位移传感器、应变计、加速度计等。校准过程应按照相关规范和标准进行，并记录校准结果。

（2）试验方案执行：在执行动静荷载试验时，需要严格按照事先制定的试验方案进行操作。确保试验荷载施加的顺序和方式正确，遵循安全操作规程，对试验参数进行准确调整，并及时记录试验过程中的数据和观察结果。

（3）安全措施：动静荷载试验涉及到大型结构和高荷载，因此安全是非常重要的。在进行试验时，必须采取适当的安全措施，包括穿戴个人防护装备、设置警示标识和屏障、严格控制人员活动范围等。对于需要爬升或进入高风险区域的操作，应该配备专业人员，并使用合适的安全设备和工具。

5 结束语

动静荷载试验作为桥梁检测与评估的重要手段，能够准确评估桥梁结构的力学特性和安全性能。通过动静荷载试验可以获取到桥梁的刚度、稳定性、承载能力和变形特性等重要参数，为后续的结构分析、评估与改造设计提供科学依据。然而，在进行动静荷载试验时，需要注意选择合适的试验方案、测试装置和监测仪器，并确保数据的准确性和可靠性。同时，针对不同类型和规模的桥梁，应制定相应的试验计划和数据分析方法，以获得更加准确和实用的结果。