公路桥梁养护中的荷载试验检测应用

摘 要：公路桥梁作为基础设施的重要组成部分，其运行状态对居民生活质量及经济社会发展具有显著影响，实施定期的桥梁养护工作，能够在正常养护公路桥梁的基础上延长其使用寿命。以某跨河大桥为例，从动载试验和静载试验两方面，对展开荷载试验的详细技术进行了探讨，希望能够给相关从业人员带来启发。

关键词：公路桥梁；养护；荷载试验

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）07-0085-03

0 引言

载荷试验是用来评估桥梁结构的性能和功能的一种方法，在检测时会对桥梁施加纵向压缩力和拉伸力，监测随时间而变化的结构位移和沉降情况，在分析试验所得出的数据后，可以对桥梁的稳定性和承载能力做出评估，并据此评价整个桥梁工程的运行状况。

为了拟定合理的桥梁维护和修复方案，需要及时识别并修正桥梁工程中的质量问题，以此来提升桥梁的保养效果。荷载试验检测通常包括静态和动态两种类型，静态荷载试验主要用于测量桥梁承受的静态力大小，动态荷载试验用于评估桥梁在动态力作用下的承载能力，通过分析荷载试验的结果及其相关数据，能有效了解桥梁的结构状态，进而准确评估桥梁的运行状况。

1 公路桥梁养护中荷载试验检测概念

1.1 动载试验

该试验通过在桥梁上施加动态荷载，如模拟车辆过桥等，来评估桥梁的动态特性和承载能力，其试验核心在于捕捉桥梁在动态荷载作用下的振动特性，如频率、振幅和阻尼比等，通过这些数据来分析桥梁的疲劳性能和动态稳定性，动载试验还能揭示桥梁在反复荷载作用下的耐久性和剩余寿命，为制定精确的维护和加固策略提供科学依据。

桥梁的动载响应分析也有助于优化桥梁设计，提升其适应复杂交通环境的能力。在对桥梁进行横向和纵向的弯曲及扭曲变形进行检测时，要在每一跨度设置不少于两个测量点，准确获得最大的变形数据，并记录下桥梁支撑点的沉降情况。在测量桥梁控制面应力时，应确保至少有4个测点分布在桥梁的整个横截面上，准确计算出应力的最大值以及偏载情况。

在检测具有独特结构设计的桥梁时，除了常规的测点之外，还应特别关注桥梁的支点和主要拉力的测试，桥梁支座的沉降情况、伸缩特性以及转动角度都需进行细致的监测[1]。在裂缝发现的初期，必须详尽记录裂缝的具体位置、走向、长度和宽度。如果发现桥梁结构发生变形或裂缝持续扩大，则应立刻中止工作，并迅速撤离现场人员及设备，设计上较为特殊的桥梁，例如斜拉桥和悬索桥，还需额外监测索力的变化和塔的位移情况。

1.2 静载试验

该试验通过将预定的荷载施加在桥梁结构上，模拟桥梁在不受动态荷载影响时的承载能力和稳定性。在操作过程中，要注意荷载的均匀分布和逐渐增加的施加方式，以避免对桥梁结构造成突然的冲击或过度应力。

试验期间需要密切监控桥梁的应力响应、位移和变形情况，以确保桥梁结构不会受到不可逆的损伤。在静载试验中，荷载的施加和测量应精确控制，任何误差都可能导致不准确的评估结果。梁体、支座和接缝等桥梁的各个关键部位，都需要仔细检查，确保它们在承受荷载时的表现与设计预期一致。桥梁的材料特性、年龄和历史维护记录也是影响试验结果的重要因素，这些因素在分析数据时需要充分考虑[2]。

静载试验通常适用于那些主要承受静态荷载的桥梁，如人行桥、低流量的道路桥或老旧桥梁。对于这些桥梁而言，静载试验能够有效评估其当前的承载能力和结构完整性，从而为后续的维护或加固工作提供依据，对于承受重大交通流量或频繁动态荷载的桥梁，静载试验无法全面反映桥梁的实际运行状况，因此在这些情况下，静载试验应与其他类型的荷载试验相结合。

2 案例分析

2.1 工程概况

某跨河桥梁是一座横跨规划中的五级航道的大型桥梁，整体桥长312 m，该桥的主体结构设计为变截面的现浇预应力混凝土连续梁桥，而其引桥部分则由20 m长的先张法空心板梁组成，整个桥面设计为连续式。主桥部分由三个跨度组成，分别是40 m、65 m和40 m，采用预应力混凝土变截面单箱双室直腹板连续箱梁的设计方案。桥梁的单幅宽度为19 m。在桥梁的结构设计上，箱梁的高度从跨中的2.1 m逐渐变化，按照二次抛物线的形式增加，至距中墩中心1.75 m处达到3.9 m的最大高度。在主桥的箱梁构造中，位于墩顶的中横梁厚度达到2 m，而在每个跨度的两端则分别设置了1.5 m厚的端横梁。主跨的中心部位特设了一道0.4 m厚的横梁。

为了保证结构平衡与稳固，箱梁的底板设计为横向水平，同时通过改变腹板高度来实现单侧2%的横向坡度，主桥的箱梁还特别采用了三维预应力系统，在提升桥梁整体承载力的同时，也增强了其稳定性[3]。

2.2 荷载试验检测依据

荷载试验检测作为公路桥梁评估的核心环节，其执行依据一系列权威的工程技术标准和规范。《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）为此类试验提供了基本的技术框架和方法论，《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）细化了桥梁设计的一般要求，对试验检测的具体内容和标准进行了规定，从《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）针对钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁的特殊性，为这类桥梁的荷载试验提供了专门的指导。

在质量检验与评定方面，《公路工程质量检验评定标准》（土建工程）（JTG F80/1—2004）为桥梁工程提供了全面的质量评定标准，《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（交通部公路科学研究所1982/10北京）提供了对此类桥梁进行精确评估的技术支持，《公路桥梁承载能力检测评定规程》（送审稿）（交通部公路科学研究所2003年4月）则是桥梁承载能力检测的最新研究成果，它为桥梁承载能力的评估提供了详细的步骤和标准。

2.3 现场调查情况

桥梁的现状调查和检测主要分为两个方面：一是对桥梁跨结构的桥面线形进行调查，二是对结构表面的主要缺陷和问题进行检测。为了获取桥面线形的数据，通常会测量主梁两侧的控制点高程。

这一测量工作主要依赖于桥梁建设时建立的高程控制网络，选择最适宜的观测时间，利用电子水准仪进行直接测量。若原有的高程控制点遭到破坏，可以新设立参考高程控制点，并通过全桥相对高程的测量来准确获取桥面的线形情况。在进行桥梁试验前后，要详细进行外观检查，仔细观察箱梁的外表和内部，注意是否存在蜂窝状、麻点状的表面、空洞、破损或者钢筋外露等情况，需要检查箱梁外部结构的关键部位，特别是要注意是否出现了结构性的裂缝，如果发现裂缝，必须精确测量其宽度和长度，评估其对结构安全性的影响。

3 荷载试验检测应用方式

3.1 静载试验

3.1.1 测试项目

为了满足该桥的主要试验目的，对大桩号方向右侧的桥梁进行了一系列静载试验，在4#墩与5#墩之间的边跨跨中截面，进行了最大正弯矩效应和最大竖向挠度效应的测量，分别在对称和偏载两种加载工况下进行了测试。在5#墩与6#墩之间的主跨跨中截面，同样进行了最大正弯矩效应和竖向挠度效应的测量，分别在对称和偏载两种加载工况下进行了测试，在5#主墩附近的箱梁截面，也进行了特殊的试验，测量了最大负弯矩效应，同样采用了对称加载工况。在桥梁的7#墩支座附近，进行了剪切力效应的检测，同样采用了均匀的负荷情况。这些实验的主要目标在于全方位评估桥梁的性能和可靠性，让桥梁能够在各种情况下，都能够牢固地承受荷载，保障道路交通的流畅和安全[4]。

3.1.2 确定测试截面

使用专门用于桥梁结构评估的Midas/Civil软件，对这座桥的结构进行了计算和检测，这座桥被规划成为单一横向通道，拥有4个车道。在计算过程中，使用了一级道路负荷，将其均匀分散到4个行车道上，并遵循规则应用了0.67的横向缩小系数。通过对主桥在实际负荷情况下的内力分析图进行研究，可以明确确定各个检测控制剖面的位移，并最终根据图表的数据，确认了各个控制剖面的确切位置。

3.1.3 布置测点

为了评估箱梁各截面的混凝土表面压力，采用了在户外环境下适用、具备高度稳定性和准确性的振动弦应变仪进行测定，分析主要测试控制截面的压力分布特征和受力性能。腹板的变形测点位于上翼缘和底板，每隔5 cm布置一个点，这些测点均匀分布在腹板的高度内。为了测量主梁的垂直挠度，在箱梁底部放置了一些棱镜，然后使用Leica 2003型全站仪进行三角高程测量。

3.1.4 加载工况及试验荷载布置方式

在静态负荷测试过程中，采用了30 t的车辆来模拟等效负荷，根据不同的工况，使用了多种试验负荷分布方案，这些工况和分布方案的选定都依据了桥梁构造的特性和荷载效应的具体需求。

工况1是桥梁中跨最大正曲率情况，精确地分配了试验负荷，最大正应力和最大挠度位置得到全面覆盖，在水平方向上，负荷分布保持对称。工况2代表着桥梁中跨最大正曲率情况的右侧，纵向负荷分布仍然考虑了最大正应力和最大挠度位置，但水平方向上负荷有向右的倾向。工况3对应桥梁中跨最大正曲率情况的左侧，纵向负荷分布仍然与情境1相同，但水平方向上负荷有向左的趋势。工况4用于观察整座桥梁的异常变形。在这一情况下，车队会缓慢穿过整座桥梁，负荷按照最不利的正曲率位置布置，观察混凝土是否出现开裂现象以及桥梁结构是否发生异常变形。这些情境和负荷分布方案的选择，能全面了解桥梁结构在各种荷载情况下的响应和性能表现。

3.1.5 试验的注意事项

在开始正式进行荷载试验之前，需根据应变和位移测点的布置计划并放样，就应变点的位置而言，须执行打磨和平整的步骤，接着黏附电阻应变片并进行焊接导线。位移测点要装置机电百分表，并将其与应变平衡箱连接起来。

基于车辆计算和分配质量的分析结果，在不同工况下明确车辆加载位置并标出线条，开展在线联机调试，选用一辆汽车进行预先加荷，验证各测点上电阻应变片、机电百分表和应变平衡箱的稳固性。在静态负荷测试期间，每个操作情况都应该在两个不同的时段逐渐施加。

在评估过程中，为了减少混凝土的流变性对测定结果的影响，每次负载完毕后都应停止汽车的引擎，然后等待至少5 min，以确保结构的形变完全趋于稳定之后再开始数据收集。随着时间推移，应对测得的极限弯曲度和变形值进行与理论估算结果的比对。倘若在测试过程中出现异状数据，即刻解除负载车辆，以防突发意外事件的发生。

卸载后必须确保在至下一次施加荷载之间至少有10 min的时间间隔。同一工作状态的检验必须按照上述加载和卸载的程序一再进行，直至两次测试的相对误差不超过5%，方能完成该工作状态的检验，然后继续进行下一个工况的检验[5]。

3.2 动载试验

3.2.1 车辆激励试验

根据实验流程来看，通常在结构受到活载作用时，选择测试截面位于应变最大的地方。鉴于本桥结构受弯矩影响的包络图特性，车辆激励试验的观测截面应设置在5#墩与6#墩之间的主跨区域。

3.2.2 试验工况

试验分为两个不同的工况：在第一个工况下，测试车辆以30 km/h的速度穿越测试的连接/孔洞，而在第二个工况下，测试车辆以40 km/h的速度通过测试的连接/孔洞。

3.2.3 脉动试验

当桥面未承受任何交通负载且附近桥址未受到规律振动源干扰时，采用高度灵敏的动态测试系统，来记录桥址处因风荷载、地下脉动、水流等随机载荷引发的微小桥梁跨度结构振动反应，获取了结构的自振频率、振动模式和阻尼比等动力学特性数据。

3.2.4 试验处理方法

自振特性测试采用脉动法进行，借助于由国家地震局工程力学研究所制造的891-IV型速度感应器用于振动拾取，同时匹配DLF-8型多合一放大器作为扩大设备，信号收集器则选用东方所INV306DF型智能信号捕捉处理分析仪。在频谱分析方面，应用了DASP软件分析系统，对测量数据进行了光谱分析，通过计算相关性、自相关性、相位差和相干系数，确定了各个阶段的频率。在对实验数据进行阻尼分析时，结构的阻尼特性是通过阻尼比D来表示的，在试验过程中，运用频谱图中的半功率谱带宽来计算阻尼比。在振动特性分析方面，要运用DASP软件分析系统进行传递函数分析，确认各个检测点的振动振幅和相位差，以此来获取桥梁结构的振型数据。

4 结束语

静载和动载荷载试验检测后，全面评估出桥梁结构的性能，可为后续制定合理的维护及修复方案提供科学依据，以此来提升公路桥梁的养护效果。随着科学技术的不断进步，可以预见荷载试验检测技术将变得更加精确和高效。传感器技术和数据处理算法的发展，将使试验数据的采集和分析更加便捷和精确，能够明显提高检测的准确性和可靠性。而进行荷载试验检测的相关系统的广泛应用将成为未来的趋势，能够起到实时监测桥梁结构的状态，及时发现问题并采取预防措施的效果，将有助于延长桥梁的寿命，降低桥梁维护成本。

参考文献

[1] 王子强.基于特殊检测与荷载试验的桥梁承载能力综合评定[J].安徽建筑，2023，30（12）：177-179.

[2] 张雪华，郭宏.黄溪河上跨桥荷载试验及分析[J].黑龙江交通科技，2023，46（12）：58-62.

[3] 谢君利，张军军.荷载试验在简支梁桥检测中的应用研究[J].黄河科技学院学报，2023，25（11）：71-74.

[4] 蓝浩浩，朱子齐.通过工程车加载进行单梁荷载试验的研究[J].交通科技与管理，2023，4（21）：98-100.

[5] 左小芳.桥梁工程荷载试验检测技术研究[J].工程技术研究， 2023，8（17）：69-71.