荷載試驗在橋梁檢測中的應(yīng)用

1、荷載試驗在橋梁檢測中的應(yīng)用【摘要】橋梁荷載試驗的目的是對新建橋梁進(jìn)行竣工驗收和對已建橋梁的運營進(jìn)行承載力的評定，橋梁荷載試驗是一項復(fù)雜而細(xì)致的工作，技術(shù)含量高，涉及面廣。因此加強對其的認(rèn)識和研究具有重要意義，本文作者對此相關(guān)問題進(jìn)行了探討。 【關(guān)鍵詞】荷載試驗；橋梁檢測；動力荷載 【 abstract 】 bridge load test purpose is a bridge for the completion acceptance and to build Bridges to the operation has the bearing capacity of evaluation, b

2、ridge load test is a complex and meticulous work, with high technical content, involve wide. So to strengthen the understanding and research of its importance, this paper the author questions are discussed. 【 keywords 】 load test; Bridge detection; Dynamic loading 中圖分類號：C33文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 引言 我國現(xiàn)有橋梁中，部

3、分建造年代久遠(yuǎn)，常年缺乏應(yīng)有的維修保養(yǎng)，造成橋梁損壞嚴(yán)重、承載力下降，給交通運輸造成很多事故隱患。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量低等級的公路被改建、擴(kuò)建，同時許多橋梁的承載能力和通行能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)時交通狀況的要求，如果對這部分橋梁都進(jìn)行拆除重建，勢必需要投入大量的資金和人力，嚴(yán)重影響現(xiàn)行的交通秩序，同時產(chǎn)生大量的建筑垃圾，造成巨大的資源浪費。如果能夠充分利用現(xiàn)有橋梁資源，通過可靠的檢測評估手段，對這些橋梁進(jìn)行科學(xué)的加固改造，既能保證或提高橋梁的承載能力和運行條件，又能最大限度地保持現(xiàn)行交通少受干擾； 這對降低成本、預(yù)防災(zāi)害、保證社會交通正常運行都有著非常重要的意義。另外，公路工程建

4、設(shè)的質(zhì)量也越來越得到重視，竣工橋梁的質(zhì)量能否達(dá)到設(shè)計和規(guī)范的要求，也需要有相應(yīng)的評定標(biāo)準(zhǔn)。對服役橋梁結(jié)構(gòu)及新建橋梁承載能力評定最有效、最直接的方法就是橋梁荷載試驗，包括動力荷載、靜載試驗。 一、荷載試驗對象的選定 荷載試驗對象多為舊橋，在特殊情況下有些新橋也要求做檢測工作，綜合起來荷載試驗橋梁選定的依據(jù)為：1)缺乏設(shè)計、施工資料的橋梁。2)施工質(zhì)量較差，不符合設(shè)計要求的橋梁。3)橋梁竣工經(jīng)過運營一段時間后發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的病害，影響其承載能力。4)橋梁施工質(zhì)量較好，運營情況也良好，但希望提高其允許的承載能力。5)需要通過超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的特殊荷載車輛的橋梁。還有一些橋梁是因為一些特殊原因而需要做檢測工作

5、，比如修復(fù)、改建或加固的橋梁，為了驗證工程效果，需進(jìn)行驗收或鑒定性荷載試驗等。 二、橋梁動力荷載試驗的目的及項目 2.1 橋梁動力荷載試驗的目的 橋梁動力荷載試驗的目的是測定橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，即橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比等橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)；測定橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的強迫振動響應(yīng)，即橋梁結(jié)構(gòu)的動位移、動應(yīng)力、沖擊系數(shù)等。通過動載試驗和理論分析來了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，判斷和評價橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用條件，分析橋梁病害成因并掌握其變化規(guī)律，分析橋梁病害對橋梁各項性能的影響。結(jié)合橋梁靜力荷載試驗結(jié)果，對橋梁質(zhì)量做出合理的評價，為橋梁運營管理及改造提供科學(xué)的依據(jù)。 2.

6、2 橋梁動力荷載試驗的項目 根據(jù)測試目的的不同，橋梁動力荷載試驗一般分為脈動試驗、跳車試驗 （沖擊試驗）、跑車試驗等。 （1）脈動試驗是指當(dāng)橋面上無汽車行駛和其他的周期性干擾力時，在風(fēng)、地面微振等環(huán)境因素的作用下，橋梁所受的激勵是平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)寬帶隨機激勵。結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主諧量，是在其固有頻率附近的振動，從而通過脈動測試可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率。 （2）跳車試驗（沖擊試驗）：跳車試驗測試汽車跨過15cm高跳板后制動，測量此時橋跨結(jié)構(gòu)在附加汽車質(zhì)量情況下的衰減振動，確定橋梁的沖擊系數(shù)，用以分析橋梁結(jié)構(gòu)的振動性質(zhì)。 （3）跑車試驗是指橋上跑車試驗主要是測試試驗汽車在橋上通過時，橋梁結(jié)構(gòu)的強迫振動響應(yīng)，以

7、及激勵后（車輛通過后）振動衰減情況。 三、橋梁靜載試驗 3.1 靜載試驗內(nèi)力或位移控制的選定 在外觀檢測基礎(chǔ)上選擇橋梁施工質(zhì)量較差、缺陷較多或病害較嚴(yán)重且計算受力最不利的孔或墩為荷載試驗孔。幾種常見主要橋型的加載試驗截面及內(nèi)容如表l所示。 表1 幾種主要橋型的加載試驗截面及內(nèi)容 斜拉橋 主粱跨中截面正彎矩及撓度、粱端斜截面剪力 支點負(fù)彎矩、中跨跨中正彎矩及搬、邊跨1/4L正彎矩及撓度、邊跨粱端剪力 支點負(fù)彎矩、懸臂端撓度、掛孔主梁跨中彎矩及撓度、錨固跨最大正彎矩及撓度、梁端剪力 拱頂彎矩及撓度、1/4L(或3/8L)彎矩及撓度、拱腳彎矩 中跨跨中正彎矩及撓度、邊跨1/4L正彎矩及撓度、墩項水平

8、位移、墩底彎矩 加勁梁跨中、1/8L、3/8L內(nèi)力及撓度、塔腳截面內(nèi)力及主纜內(nèi)力 中跨跨中彎矩及撓度、支點沉降、塔頂水平位移、塔腳內(nèi)力、索力 3.2 試驗荷載的確定 在確定試驗控制荷載時，應(yīng)先計算出橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計或期望荷載下控制截面所產(chǎn)生內(nèi)力(或變形)的最不利組合值作為對應(yīng)截面的控制荷載，并求出該截面的荷載內(nèi)力影響線；然后在試驗條件允許的情況下盡量選用與控制荷載相同類型的荷載，利用其內(nèi)力影響線對結(jié)構(gòu)進(jìn)行最不利布載，即可求出試驗荷載。為保證試驗效果，一般要求試驗荷載在結(jié)構(gòu)主要控制截面上所產(chǎn)生的效應(yīng)與設(shè)計荷載所產(chǎn)生的相應(yīng)效應(yīng)接近，其接近程度采用試驗荷載效率系數(shù)表示，一般應(yīng)滿足0.8-1.05。 3

9、.3 靜載試驗結(jié)果分析與評價 校驗系數(shù)是橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗的主要評價指標(biāo)。所謂校驗系數(shù)，是指某一測點處靜載的實測值與理論計算值的比值。當(dāng)=1時，說明實測值與理論值完全相符；當(dāng)1時，說明結(jié)構(gòu)工作性能差，安全儲備不足。常見橋梁校驗系數(shù)如表2所示。 表2 常見橋梁校驗系數(shù) 四、橋梁動力荷載試驗在工程中的應(yīng)用實例 4.1 工程相關(guān)情況介紹 在橋梁檢測評估中，利用先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動采集及分析。數(shù)據(jù)采集過程：分布在橋面不同位置的傳感器采集位移或加速度信號，利用屏蔽導(dǎo)線輸入信號采集系統(tǒng)進(jìn)行采集、儲存；然后對儲存的信號進(jìn)行處理，選擇其中的有效信號進(jìn)行分析，得到橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和沖擊系數(shù)等參數(shù)的實測

10、值。 某市區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，全長286m， 橋面寬度為20m，其中行車道寬16m，兩側(cè)人行道各寬2m，上部結(jié)構(gòu)為三聯(lián)十跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑設(shè)置為（28+30+28）m+（27+28+30+29）m+（28+30+28）m。箱梁結(jié)構(gòu)為單箱三室，箱寬14m，頂板懸臂3m，梁高1.6m。為檢驗竣工橋梁的質(zhì)量能否達(dá)到設(shè)計和規(guī)范的要求，進(jìn)行了橋梁荷載試驗，試驗采用INV振動測試系統(tǒng)。 4.2 檢測過程及分析 對該橋進(jìn)行了脈動試驗、跳車試驗（沖擊試驗）、跑車試驗，通過對脈動信號作頻譜分析，得到各測點的位移功率譜（如圖1所示），可以看出該橋的模態(tài)比較密集，譜成分較豐富。進(jìn)一步做出第3跨中和第4

11、跨中的豎向（橫向）振動的互功率譜（如圖2所示），可以識別出該橋的豎向基頻為4.1Hz，橫向基頻為2.15Hz。當(dāng)試驗車輛以不同車速通過橋梁時，測得橋梁的振動時程曲線如圖3、圖4所示，經(jīng)頻譜分析，發(fā)現(xiàn)各種車速下橋梁結(jié)構(gòu)主頻基本上沒有變化，橫向基頻為2.08-2.12Hz，豎向基頻為3.9-4.05Hz。 圖1 橋梁脈動測點功率譜 圖2 脈動測試結(jié)構(gòu)反應(yīng)互功率譜 圖3 跑車30km/h橋梁豎向響應(yīng)時程曲線和幅值譜 圖4 跑車50km/h橋梁豎向響應(yīng)時程曲線和幅值譜 從動力荷載試驗的結(jié)果及數(shù)據(jù)分析來看，該橋的豎向自振基頻、阻尼比，在跑車試驗時與脈動試驗時所測結(jié)果基本相同。所測的基頻均不小于相應(yīng)的理論計算值，表明所試驗的橋梁有著較好的剛度。從自振頻率的角度看，結(jié)構(gòu)是安全的；所得該橋的沖擊系數(shù)介于0.14-0.24，小于城市道路荷載規(guī)范規(guī)定值，說明橋梁對汽車荷載的反應(yīng)在安全范圍之內(nèi)。 4.3 工程感受 橋梁動力荷載試驗理論上基本成熟， 在實際橋梁的檢測評估中得到了廣泛應(yīng)用，對超期服役橋梁結(jié)構(gòu)及新建橋梁承載能力評定提供了有效、最直接的方法。 （1）橋梁動力荷載試驗?zāi)軌虻玫綐蛄航Y(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)及強迫振動響應(yīng)，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，能夠利用其結(jié)果來判斷橋梁的健康狀況，為橋梁的評估提供依據(jù)