静动载试验在旧桥加固上的应用

蒿景辉 仲 岗

（1.封丘县农村公路管理所，河南 封丘 453300；2.新乡市农村公路管理处 河南 新乡 453000）

旧桥加固的目的，就是合理的对桥梁前期关键部位的病害进行处理，以达到桥梁的设计荷载，从而以良好的状态进行工作。可以将桥梁的静动载试验运用到旧桥加固项目上，来检验该桥梁的承载能力。桥梁荷载试验是对桥梁结构进行直接加载测试的一项科学试验工作，其目的是通过荷载试验，了解结构在荷载作用下的实际工作状态，综合分析、判断桥梁结构的安全承载能力和使用条件。桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验。将加固后的桥梁进行荷载试验得到的数据与桥梁建模数据进行对比分析，可以看出桥梁结构的承载能力和理论值的差别，从而对桥梁加固的效果进行总体性的评价。

随着我国经济发展，公路上存在了大量的危旧桥梁，不能够适应日趋繁重的交通，成熟的桥梁检测手段可以及时发现危旧桥梁的技术状况，并提出加固方案，对关键部位进行加固处理，提高旧桥的服役年限。在旧桥加固前，对桥梁的检测是至关重要的。由于桥梁的特珠性，只能采取非破坏性试验，通常利用静载试验和动载试验对桥梁的性能进行测试。

1 桥梁静载试验

静载试验是指将静止的荷载作用于桥梁上的指定位置，测试结构的静应变、静位移以及裂缝等，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力。

桥梁静载试验顺利进行的前提是桥梁结构的考察和试验准备。这些工作包括技术资料的收集、桥梁现状检查、理论计算、试验方案制订、现场准备等一系列工作。加载试验与观测是整个检测工作的中心环节，内容是在各项准备工作就绪的基础上，按照制定的试验方案与程序，利用适宜的加载设备进行加载，运用测试仪器对结构受载后的各项指标如挠度、应变、裂缝宽度进行观测和记录。分析总结阶段是对原始测试资料进行综合分析的过程，原始测试资料包括大量的观测数据、文字记载和图片等，经过分析处理后，对检测结果做出科学的判断与评价。

1.1 准备工作

在荷载试验正式进行之前应做好准备工作，对多孔桥跨且跨径相同的桥梁，可以从中选择1至3孔具有代表性的桥孔进行加载试验。选择该孔时应考虑以下因素：首先要选择计算受力最不利的桥孔，其次要选择缺陷病害较多的桥孔，最后要选择便于布置测点和实施加载的桥孔。桥墩的选择同桥孔的选择程序基本相同。然后是脚手架和测试支架的搭设，脚手架要保证检测人员的安全及操作方便，而测试支架则主要为安装仪表做准备，使得仪器读数准确，且不受外界影响。还应该对加载位置进行放样，以便于加载试验的顺利进行，如果加载工况较多，则要预先放样，标出不同加载工况时的荷载位置。

1.2 加载方案的确定

试验工况的选择应反映桥梁结构最不利受力状态，一般参照截面内力影响线进行，确定两三个主要的荷载工况。例如，简支梁试验荷载工况，主要工况为跨中最大正弯距工况，附加工况为L/4截面最大正弯距工况、支点最大剪力工况、桥墩最大竖向反力工况；连续梁桥试验荷载工况，主要工况为主跨支点最大负弯矩工况、主跨跨中最大正弯距工况，附加工况为边跨最大正弯距工况、主跨桥墩最大竖向反力工况、主跨支点最大剪力工况；无铰拱试验荷载工况，主要工况为拱顶最大正弯矩工况、拱脚最大负弯矩工况，附加工况为拱脚最大水平推力工况、L/4截面最大正弯矩和最大负弯矩工况；L/4截面正负挠度绝对值之和最大工况。

试验荷载的确定。由于实际采用的试验荷载与控制荷载有差别，为了保证静载试验效果，在选择试验荷载的大小和加载位置时采用静载试验效率进行控制，按控制截面的最不利工作条件布置荷载，使控制截面达到最大试验效率。一般的静载试验，荷载效率为0.8～1.05。

1.3 测点布置

主要测点布置不宜于过多，一般而言，主要测点的布置应能够控制结构的最大应力（或应变）和最大挠度。一般常见桥型的主要测点布置为：简支梁桥为跨中挠度、支点沉降、跨中截面应变；连续梁桥为跨中挠度、支点沉降、跨中和支点截面应变；拱桥为跨中与L/4处挠度、拱顶、L/4和拱脚截面应变。

1.4 理论分析

桥梁静载试验方案确定后，应该对桥梁进行理论分析与计算，理论分析计算采用Midas Civil6.11或者采用ANSYS10.0来进行建模和数据分析计算。首先按照被检测的桥梁的结构类型建立模型，按照《公路桥梁设计规范》计算各控制截面最不利活载内力。实验荷载效应的计算主要以荷载横向分布理论为基础，将空间结构的分析转化为纵横两个正交方向的平面问题加以分析，这种分析方法称为荷载横向分布法。构建模型后对模型进行加载，求出各加载工况下的理论计算应变值和挠度值。为对比实测数据做好准备。

1.5 试验过程

按照试验方案针对不同工况对桥梁加载，按照要求对租用试验车辆过磅，按照荷载试验效率所确定的试验荷载进行加载，对试验孔按前述的应变和挠度测点布置方式进行放样，在梁底布设应变片，布应变片时要将各测点位置实施打磨找平并清洗干净，然后再粘贴应变片，同时布设挠度测点，根据应变丝电阻的变化来检测出应变量，布设测试仪器及传感器连接导线，联机调试仪器，进行各种工况加载，使用静态测试仪进行静态数据的采集。

1.6 数据分析对比

将桥梁结构某测试点实测值与计算值相比，得出校验系数 ，校验系数 是评定结构工作状况、确定桥梁承载能力的一个重要指标。一般要求 值不大于1，值越小说明结构的安全储备越大，一般正常取值见表1。

表1 桥梁校验数常值表

由于理论的应变一般按线性关系计算，所以如测点实测弹性应变与理论计算值成正比，其关系曲线接近于直线，说明结构处于良好的弹性工作状况。测点在控制荷载工况作用下的相对残余应变越小说明结构越接近弹性工作状况。

2 桥梁动载试验

桥梁动载试验是研究桥梁的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性，它的基本任务是测定动荷载和结构的动力特性，并测定结构在动荷载作用下的强迫振动的响应。桥梁结构的动态性能测定一般可分为结构自振特性和结构在动力荷载作用下的受迫振动响应。桥梁自振特性主要指标为桥梁竖向固有振动频率、振型和临界阻尼比；受迫振动主要指标为动应变、动位移、行车冲击系数、跳车冲击系数以及车辆制动作用下的动应变时程。

桥梁结构需要承受车辆、人群、风力和地震等动荷载作用，在动荷载作用下的受力分析是桥梁结构分析的一项重要任务。其振动问题曩因素复杂，需要理论分析和实测相结合的方式来综合考虑。结构振动问题所考虑的三个关键因素是振源、结构、响应，因此，桥梁的动载试验及其作用可以划分为3类基本问题：（1）测定桥梁在动载作用下的响应（动位移、动应力等）；（2）测定桥梁结构的动力特性（自振频率、阻尼比、振型等）；（3）测定桥梁荷载的动力特性（数值、方向、频率等）。桥梁动载试验以其工作量小、费用低、试验时间短、操作方便快捷的特点发展起来，并在成桥试验、旧桥评估、桥梁健康监测与状态评估、模拟地震试验、桥上荷载识别、抗风试验与疲劳试验中发挥了必不可少的作用。因此，公路旧桥加固采用这种方式可以迅速的评估桥梁状况。桥梁结构动力响应的试验测定主要是测定结构在动力荷载作用下的响应，包括自振频率、冲击系数等，一般利用汽车以不同速度通过桥跨所引起的振动来进行测定。测定桥跨结构自振特性时应在结构相互连接的各部分布置测点，测定荷载本身的动力特性时，主要是测定引起桥梁振动的作用力或振源特性，动力荷载大小可通过安装在动力荷载设备底架连接部分的荷重传感器直接量测记录。

动载试验的组织程序同静载试验类似，对于桥梁的自振频率、阻尼比和冲击系数等参数，使用MIDAS计算出理论值，和试验值相比较，可以得出该桥动载性能好坏的结论。

目前国际上广泛采用的以结构自振频率或结构位移模态为基础的损伤识别指标体系不够理想，桥梁作为一个由多种材料，不同结构组合而成的大型综合系统，各成分材料不一，应力也不同，刚度、动力特性相差较大，简单地用某种单一的动力特性变化指标去评估整体结构的状态，难以取得预期的效果。同时桥梁动载试验对桥梁结构的功能，如承载力、可靠性、变形等进行定性分析比较容易，但进行定量评估则比较困难。另外在桥梁的与监测与状态评估中，也存在一些问题，如（1）结构与环境中的不确定性和非结构因素的影响；（2）测量信息不完备；（3）测量精度不足所导致的误差：（4）测量信号的噪声所产生的影响；（5）测量信号对结构局部损伤不敏感。以上这些都是动载试验的局限性。

但随着计算机技术的进步，近年来，国内外对桥梁动载试验方法从理论到实际进行了大量的运用，取得了很大的进步。随着大量的动载试验的数据和经验的积累，可建立有针对性的专家系统，采用专家系统的方法，桥梁动载试验可以更快更精确地得出判断果。

3 结语

桥梁结构荷载试验就是对桥梁结构进行直接加载测试的科学试验，目的是通过荷载试验，了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，从而判断桥梁结构的安全承载能力及评价桥梁的营运质量，检验桥梁结构的设计与施工质量，确定旧桥结构的实际承载能力，为制定桥梁加固或改建技术方案提供依据。本文通过静动载试验在旧桥加固上的应用，检测桥梁整体的力学状况，探讨了荷载试验的工作方法和步骤，并对试验过程进行了理论分析，运用试验结果来评价旧桥加固后的承载力，以此判断桥梁结构的加固效果。

［1］徐岳，武同乐，张劲泉.桥梁加固后评价方法研究[J].公路交通学报,2006.

［2］王国鼎，袁海庆，陈开利.桥梁检测与加固[M].北京：人民交通出版社,2003.

［3］JTG F80/1－2004 公路工程质量检验评定标准[S].