某桥梁荷载试验测试数据的误差分析

洪辉

【摘 要】检测数据是推定桥梁工作状态的科学依据，数据中的误差不可避免地存在，影响数据的科学性。文章简述了桥梁荷载试验中数据误差的概念、分类及常见误差，结合工程实例，分析试验数据常见的误差。

【关键词】荷载试验;数据;误差;分析

【中图分类号】U446.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）03-0115-03

0 前言

桥梁荷载试验是桥梁结构工作状态最直接的试验方法。将试验荷载作用于桥梁上的指定位置，测试桥梁结构的应变、位移及裂缝等参数，以推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和实际使用能力。这对于检验桥梁设计与施工的质量，判断桥梁结构的实际承载能力，验证桥梁结构设计理论和设计方法等有重要意义。

客观、准确、及时的试验数据是指导、控制和评定桥梁工作性能的科学依据。然而，试验数据不可避免地存在误差，有可能对桥梁工作性能的评定产生某些不利影响。为了使试验数据更精确、可靠，对数据误差开展分析、处理工作就显得尤为重要和必要。

1 误差的概念及分类

试验误差可分为2种类型：一种类型是试验对象本身具有随机性，由此导致试验数据出现波动;另一种类型是试验过程引入的误差，也称为测量误差。

试验过程中的测量误差定义如下[2]：某物理量的实测值x与该物理量的真值xi之间的偏差值δx，即xi=x±δx。总的来看，测量误差可分为系统误差、随机误差和过失误差。根据来源，误差又可分为因仪器仪表不精确产生的仪器误差，操作不当引起的操作误差，测试方法本身的方法误差，温度、湿度变化等引起的环境误差，以及偶然事件导致的偶然误差等。

2 桥梁荷载验中常见的误差

2.1 仪器误差

仪器误差又称为工具误差。桥梁荷载试验中使用的仪器的精度总是有限的。例如，百分表测杆的往复运动经过百分表内部的齿轮-齿条机构转换为指针的转动，而机械运动要求一定的空隙，这一空隙使百分表的数据产生一定程度的误差。

2.2 操作误差

在桥梁荷载试验中，以下几个方面可能出现操作误差。{1}由于试验人员的技术水平和一些主观因素造成的误差。例如电阻应变片的粘贴，由于试验人员技术水平的限制，应变片粘贴的位置可能存在一定程度的偏差，应变片粘贴的质量也可能存在一定程度的缺陷，这都将导致测试数据出现误差。{2}由于试验人员的过失或差错导致的误差。例如，仪器设备操作错误、参数设置错误、读数错误、记录错误、计算错误等，导致测试数据偏离其真值。{3}试验中，操作过程不能满足试验规程的要求，或者测试仪器仪表的安装出现偏差等也将导致测试数据出现误差。

2.3 方法误差

方法误差通常是由于不完善的测量方法或数学处理方法所引起的。采用简化的测量方法或近似的计算方法及忽略某些外界条件的影响等，都可能导致测量的数据偏离真值。例如，某桥梁分为左、右半幅，中间设置2 cm伸缩缝，桥梁结构在中间断开，但桥面铺装按全幅布设。荷载试验中测量其跨中竖向挠度时，若不考虑左、右幅之间的相互影响，将导致测试数据出现误差。

2.4 环境误差

在桥梁荷载试验中，仪器仪表及桥梁结构所处的环境发生变化，可能导致测试数据存在误差，且环境因素变化对测试数据的影响难以定量估计。温度、湿度、振动、气压、电磁场等是最常见的环境因素。例如，测试桥梁结构在试验荷载作用下的静应变所采用的电阻式应变仪，必须考虑温度的影响。若未采取合理的温度补偿措施，将导致应变测试数据出现环境误差，进而影响应力分析。

2.5 偶然误差

试验过程中突发的偶然事件也可能引起测试数据的误差，称之为偶然误差。

3 工程实例

3.1 工程概况

某市区内新建一座横跨某街的下承式系杆拱桥。该桥全长58.0 m，桥面宽度为23 m，即4 m宽的人行道+25 m宽行车道+4 m宽的人行道（示意图如图1、图2所示）。设计荷载等级为城-A级车辆荷载，人群为3.5 kN/m，设计车速为30 km/h。

上部构造为两榀钢筋砼下承式拱肋与两根系梁，之间由17根横梁连接而成。拱肋的计算跨径为40.0 m，计算矢高为8.0 m，矢跨比为1/5，“工”字形断面。在每片拱肋和系梁间设15根吊杆，配冷铸镦头锚，上、下端分别锚于拱肋及横梁内。桥梁纵向为平坡;车行道横坡度为1.5%的“人”字坡;人行道横坡度为1%单向坡。

试验的目的：通过荷载试验，再结合其他检测项目（如外观检查、混凝土强度抽检等），推定该桥的施工质量及其实际承载能力，为该桥的竣工验收、运营使用及今后桥梁的养护等提供技术依据。

3.2 试验荷载工况及测点布置

（1）试验工况：跨中最大正弯矩工况（工况1）和拱脚最大负弯矩工况（工况2）。以8辆总重均为30 t左右的载重汽车作为试验荷载，分3级进行加载。

（2）采用分辨力为0.01 mm、量程为50 mm的百分表测试桥梁结构在试验过程中的挠度。分别在左右拱顶、系梁中部和支座设置8个挠度测试点，依次编号为N1、N2……N8。

（3）采用JM3818A无线静态应变仪测试试验过程中桥梁主要受力部位的应变值，从而计算出应力值。分别在左右拱顶、拱脚和系梁中部布置20个应变测试点，依次编号为Y1、Y2……Y20。

3.3 测试结果及误差分析

本文以桥梁在静载试验阶段各级荷载作用下的部分测试数据为例，分析测试数据的误差。

3.3.1 挠度测试

测试数据与理论计算值见表1。

（1）各级荷载作用下，桥梁左右拱顶挠度测试结果存在一定差异。据分析，可能是由于施工等原因引起的桥梁左右拱实际受力形式、材料强度等存在一定的差异，导致左右拱顶挠度的测试差异。但不排除试验数据本身存在一定的误差，如百分表仪器误差、人为操作误差、加载车辆称重误差、加载位置放样误差等。

（2）工况2各级荷载作用下，拱顶挠度的测试数据与理论计算值的偏差相对较大。结合工程具体情况分析，该工况下汽车荷载作用在桥梁拱脚，根据桥梁结构受力特点可知拱顶的挠度本身很小，此时百分表、人为操作、环境等因素对测试结果的影响就比较大，出现这类情况是完全可能的。

3.3.2 应力测试

测试数据与理论计算值见表2。

（1）试验测试应变值均低于理论计算值。据分析，可能与桥梁材料实际强度较设计强度大，拱上建筑与拱圈共同作用，支座摩阻力对结构受力有利，以及理论计算偏安全等因素有关。但也可能存在受温度、湿度等变化引起的环境误差。据记录，该次荷载试验从晚上10点持续至次日凌晨1点，期间温度、湿度变化较大。而应变测试系统对温度、湿度的变化非常敏感，温度、湿度变化达到一定程度就会影响应变仪的灵敏度及测试效果，从而导致测试数据出现误差。也可能存在将应变转换成应力的计算过程中的计算误差，导致测试数据出现一定的误差。

（2）工况2荷载作用下，Y13测点测试数据出现异常，可能是试验人员操作差错导致。分析发现，前后数据均未出现异常情况，可能是试验人员读数、记录、计算等环节错误引起的误差导致数据异常。

4 结语

当前，桥梁检测工作量不断增加，检测质量要求不断提高。试验检测数据的客观性、准确性是指导、控制、评定桥梁工作性能的科学依据，影响桥梁的安全运营、维修养护等。试验数据误差的精确分析和合理处理已成为桥梁检测工作者的重要研究内容。

参 考 文 献

[1]潘松林，张红阳.公路桥梁检测概述[J].城市道桥与防洪，2003（5）：5-8.

[2]易伟建，张望喜.建筑结构试验[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]王建華，孙胜江.桥涵工程试验检测技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[责任编辑：陈泽琦]