桥梁荷载试验中的测试新技术及应用

桥梁荷载试验中的测试新技术及应用

曾伟

重庆中检工程质量检测有限公司 重庆市 400000

摘要：在我国公路市政桥梁建设中，空心板、小箱梁等因模板统一、工厂化预制、施工方便快捷等诸多优点，在中小跨径桥梁上得到广泛应用。而预制桥梁在日常运营中，单片梁变形过大存在的安全隐患、断梁安全事故时有发生。目前国内普遍采用成桥荷载试验来检测预制梁桥梁是否达到设计要求，成效存在局限，下文引出检测方法:单梁荷载试验法，通过试验对比分析数据，证明该方法的有效性，并提出建议:预制梁交工检测中宜增加单梁荷载试验。

关键词：桥梁；荷载试验；新技术；应用

引言

为检验当前国内新建桥梁承载力是否符合预期设计要求，进而为桥梁竣工提供验收资料，或检验在桥梁承载力是否满足实际载荷需求，能够为在桥梁维修加固提供重要决策依据。针对上述桥梁需要开展荷载实验。当前桥梁荷载试验是唯一用于评定桥梁承载力的重要方法。本研究基于传统应变和变形测试前提下，提出新型应变以及变形测量方法，以期能够从一定程度上推动国内桥梁载荷实验技术的进步。

1桥梁荷载试验重要性

桥梁荷载试验通过施加荷载对桥梁结构或构件的静、动力特性进行现场测试，包括静载试验和动载试验。对于新建特大桥及采用特殊工艺、特殊结构的桥梁，荷载试验作为测定施工质量和结构受力性能的重要手段，常作为交工验收的必要程序，也为后期桥梁运营养护和检测评定提供初始技术数据；对于结构形式相对简单的预制装配中小跨径桥梁，交工阶段往往不进行荷载试验，而在施工阶段选取若干片梁板单独进行单梁静载试验；对于技术状况等级为四、五类及拟提高荷载等级或需通行特殊重型车辆的旧桥，荷载试验是桥梁外观调查评定的深化和补充，结合材质状况检测数据，通过结构验算实现对桥梁承载能力的量化分析和评定，其结果通常作为桥梁加固和改造的重要依据。目前公路桥梁荷载试验主要依据ＪＴＧ／ＴＪ２１－２０１１《公路桥梁承载能力检测评定规程》和ＪＴＧ／ＴＪ２１－０１－２０１５《公路桥梁荷载试验规程》开展，两规范是在《公路桥梁承载能力鉴定方法（试行）》和《大跨径混凝土桥梁的试验方法》的基础上总结经验编制形成，尽管内容可操作性有了较大提升，但在实施过程中仍然存在诸多问题。该文针对中小跨径桥梁荷载试验中常见的问题进行总结和梳理，并提出针对性的解决建议。

2桥梁几何非线性因素

2.1索的垂度效应

由于本身自重的作用，斜拉索呈悬垂状态。考虑索的垂度效应即考虑垂度对索伸长量的影响。可采用Ernst公式在弹性伸长公式中计入垂度的影响。

2.2结构大位移效应

随着斜拉桥跨度的增大，结构在荷载作用下的空间几何变位不可忽略，产生与荷载增量不成正比的附加应力较为显著。从模型上看，节点坐标、倾角、单元长度发生了变化。结构的刚度矩阵变为几何变形的函数，平衡方程F=Kδ不再是线性关系，叠加原理不再适用。

根据结构的初始几何状态，通过线性分析得出结构的内力和位移，采用带动坐标的混合法对结构的几何位置进行修正，得到各单元的修正刚度矩阵。由于结构变形前后的刚度不同，造成节点不平衡荷载的产生，再次计算节点位移，通过反复迭代，直到节点不平衡荷载小于要求。

2.3桥面铺装层参与结构受力的处理

在桥梁设计时，桥面铺装层通常视为桥梁的附属结构，不参与梁体受力，这种处理方法有利于提高结构安全储备，在设计角度是偏于安全的。大跨径桥梁的主梁高度大，铺装层对箱梁刚度和强度的提升较小，可忽略不计。对单梁的试验研究结果表明，桥面铺装能显著提高单梁的抗裂、刚度、极限承载力，极限承载力提高可达２５％以上。因此，在中小跨径桥梁评估时，其计算模型宜适当考虑铺装层的影响，以减小计算假定导致的误差。对小箱梁桥的单梁和试验研究发现，若接触面进行凿毛处理，铺装层可１００％参与受力，一般情况下约７０％铺装层参与小箱梁共同受力，表明桥面铺装层对荷载试验结果有重要影响。为真实反映结构的受力状况，在进行理论计算和承载力评定时，需考虑桥面铺装层参与梁体受力。

3关于现阶段桥梁荷载试验的应用

3.1静、动载试验数据的相关性应用

对于同一结构，静载和动载试验采用不同的测试方法进行整体刚度或强度评定。静载试验中的挠度数据从整体上反映结构的总体刚度，应变数据反映控制断面的整体强度情况。动载试验中的模态测试主要也是从整体上反映结构的整体刚度状况。从经典的梁理论来看，静力学和模态分析结果应存在相关性。对于桥梁结构，若材料参数、结构尺寸、边界条件等考虑较全面和准确，其静、动载测试数据分析结论应在一定程度上相吻合，如理论挠度值远大于实测弹性挠度，理论频率值也应明显大于实测频率，这种吻合性在大跨径桥梁的静动载试验分析时体现得较好，而对于中小跨径桥梁这种相关性或一致性较差。在荷载试验进行前，首先要对有限元计算模型进行合理简化，尽量保证计算模型准确有效；试验过程中确保各操作环节规范；试验后可根据动测结果对静载模型进行合理优化，确保试验数据能真正反映结构的真实受力状况。

3.2动载试验

通过脉动、行车和制动试验可获取位移、应力或加速度等各种振动信号的时间历程曲线，常用的试验数据分析处理方法有时域分析和频域分析。时域分析直接对时程曲线进行分析，可得出振幅、阻尼比和冲击系数等参数；频率分析把时域信号通过傅里叶变换变换为频域信号，得到振动能量按频率的分布状况，从而确定结构的频率及其分布特性。对于中小跨径等刚度较大的桥梁，前３～５阶固有频率在动力分析时最为关注，是评价结构整体刚度的最重要指标。在结构模态分析时，固有频率较易获取，但仅靠单个测点获取的固有频率并不可靠，通常需结合固有振型和阻尼比综合确定。桥梁结构的实测频率一般大于理论计算值，若出现实测频率小于理论计算值的情况，表明桥梁实际刚度比理论值小，结构存在严重开裂等问题，需特别关注。

3.3挠度测量的新技术，即单目视觉测量

单目视觉测量系统是利用中心透射投影原理，被测物体方面产生光线，可经过一个针孔将其透视到成像平面中，物像点的大地实际坐标和对应相机成像坐标，可以在几何光路构成一定联系，实际坐标可通过旋转平移获得在相机坐标中的平面坐标。从挠度测量系统的方案来看，该系统是由长焦镜头、软件、标靶和CCD共同构成，在桥梁上安装标靶形成竖向位移后，长焦镜头和CCD能够采集标靶的数字化图像，由计算机进行图像同步处理，计算其图像中标靶坐标位移，由已知中心点距离坐标通过计算采集图像标识点距离，进一步获得像素距离和实际距离的参数，将测量获得的标识点像素位移转为实际距离，通过换算获得标靶实际位移，可得到桥梁挠度变化值。经过数据后续处理能够观测待测点静态动态位移的实时数据和曲线。从该技术的应用来看，首先，基于图像远距离挠度测量系统具有较高的测量精度，比如对于10m测距离测试精度能够达到0.01mm。其次可实现无靶标测量和远距离测试，一般测试距离可达到300m以上，具有较广的适用范围，对于不同施工规模的桥梁来说均可采用该方法进行测量。最后，整体测试方法简单便捷，易于获取数据，能够实现30-100赫兹高频测试，以减少工业CCD本身抖动和环境波动产生误差值，在桥梁纵向横向挠度测试中均可采用这种测试系统。

结语

综上所述，针对当前城市快速发展引发的超载运营不良现象，我们迫切需要在源头把控好每一片梁的质量。单梁作为预制梁桥的重要子构件，只有确保子构件质量的过关，才能为实现桥梁“百年质量”目标提供基本保障。在当前，单梁荷载试验是检测单梁是否符合设计要求的最直接最有效的检测手段，因此，在交工检测中增加单梁荷载试验项目，是确保桥梁质量最为行之有效的措施。

参考文献

[1]华孝良，徐光辉.桥梁结构非线性分析[M].北京：人民交通出版社，1997.

[2]梁鹏，秦建国，袁卫军.超大跨度斜拉桥活载几何非线性分析[J].公路交通科技，2006（4）：60-62.

[3]谌润水，胡钊芳.公路桥梁荷载试验[M].北京：人民交通出版社，2003.