动静荷载试验在桥梁检测中的应用

苏 伟

甘肃省交通科学研究院集团有限公司

1 引言

近年来随着公路运输业的发展，公路运输成为货运主要方式之一。同时道路交通事故、桥梁塌陷事件也屡见不鲜，货运车辆超载是导致桥梁质量降低、寿命周期缩短的主要原因之一，同时由于桥梁建设过程中赶工期、方法不当、管理不严、降低材料标准等都会降低桥梁的质量，因此为确保桥梁安全使用需要对其做承载力鉴定。桥梁荷载试验是目前测定桥梁实际可具备承载力的主要方法，分为静载试验和动载试验。静载试验可以分析桥梁在实际运营中的承载能力和状态，为桥梁检测提供依据；桥梁的目前寿命质量和运营荷载等级评定可根据动载试验结果确定。根据《公路养护技术规范》（JTG H10—2009）相关规定，为桥梁的质量鉴定提供依据，特别是采用新工艺、新材料、新结构的桥梁质量，需要检测桥梁结构的实际承载能力，评价桥梁主体质量与设计。本文结合工程案例，对公路桥梁进行动、静载荷试验全过程进行论述[1-5]。桥梁现场检测情况如图1所示。

图1 桥梁现场检测情况

2 桥梁工程概况

某桥梁总长为155m，由不同时期建造的两桥并列组成，两座桥梁间距3.35m，跨径相同，且均采用简支梁结构。两桥采用双柱式钻孔灌注桩基础和双柱式加盖梁墩、台，因不同时期建造，上游桥墩直径0.8m，下游桥墩直径1.0m；桥梁道路设计为双向四车道，双向车道宽7.0m 和9.0m，桥梁中央隔离带宽3.35m，南北两侧人行道宽1.0m 和0.7m。经调查，本桥结构已严重损坏，初步判断为危桥。现根据本桥的实际情况，对上游桥的桥梁进行动静荷载试验并进行分析。

3 桥梁试验检测

3.1 基本内容

（1）桥跨主体结构状态评价；（2）主梁的承载力分析；（3）主梁动静载荷试验。

3.2 测点布置

从南至北的对桥梁主梁编号，始末桥台分别为0-13 号台，墩台为1-12 编号。按照试验方案，结合现场实际情况，本次检测主要对象为10 号跨和11 号跨。两个位移测点分别布置在桥梁的跨中截面点和简支梁支点处；两个应变测点分别布置在10号跨1、2号工字梁与11号跨的1、2号工字梁的肋部跨中的侧面，主应力测点布置在距离理论支撑线40cm之外的位置。

3.3 试验加载

（1）对桥跨主体进行载荷试验加载采用20t 跨中加载，以评定桥跨主体质量和性能。

（2）对主梁进行承载力试验：每次加载均采用2辆载重分别为20t，30t和40t加载车。

4 静荷载试验分析结果

4.1 荷载分布

4.1.1 荷载试验系数分布

（1）根据现场采样数值编制计算方案。

（2）对跨中截面参照弹性连续梁的计算方法进行计算。

（3）结构荷载设计包括汽车和人群，分别为汽车—15级和人群3kN∕m2。荷载试验相关系数如下：1号梁相关系数：汽车荷载系数为0.47、人群荷载分布系数为0.713；2 号梁相关系数：汽车荷载系数为0.476、人群荷载分布系数0.457；3号梁相关系数：汽车荷载系数为0.4、人群荷载分布系数为0.2。

4.1.2 结果分析

根据实验结果分析得知，发生偏载时，荷载一般在三个梁之间传递，得知桥梁的横向刚度低。根据荷载试验测试结果，横向分布的实测结果与计算结果有较大差距，分析得知距离荷载中心点较远的梁分担载荷能力不足，荷载力一般在相邻几个梁之间传递。

4.2 主梁承载力试验

（1）对各主梁进行加载试验，并计算其弯矩。

（2）荷载试验效率值维持在0.96～1.18 区间，且当试验荷载效率最大时其对应的弯矩也达到最大，符合相应规范规定。

（3）根据对位移测试数据进行分析：试验加载效率符合桥梁检定相关规程，挠度校验系数试验结果维持在0.621～1.280 区间，得出本桥承载力不具备20t 汽车通行条件，通行汽车必须在15t以下。

4.3 应力应变

本试验对桥梁应力应变检测采用的是电阻应变片数据实时采集系统。应力应变检测在10 号跨与11 号跨共设置5 个检测点。根据试验结果：跨中应变的最小值大于计算值，得出本桥梁实际承载力无法达到基本荷载标准；中性轴高度的实测值大于理论值。

4.4 混凝土应变检测

采用电阻应变片和应变测试分析系统进行混凝土应变检测试验。混凝土应变检测对象位于10 号跨与11 号跨的边侧混凝土。根据试验检测结果：跨中混凝土应变检测的最大值基本达到计算值，证明混凝土实际承载力符合设计要求，满足设计规范要求；中性轴高度的实测值大于理论值。混凝土拉应力的试验最大值大于桥梁抗拉极限范围上限，可以得出该混凝土结构已出现开裂。

4.5 综合评定

（1）经测算该桥实际承载力不能达到相关规范要求。若强制使用容易发生事故，且可能发生特大事故。如果不及时采取相关修复措施，将会引发桥梁灾难性事故。

（2）该桥目前实际承载力已经低于设计标准值，不具备通行汽车—10级的条件。应降低桥梁核定承载力使用。

（3）目前桥梁运营过程中，通行荷载已经超过其承载力，进一步破坏桥梁主体结构，加剧桥梁受损程度。

5 动荷载试验

5.1 基本内容

（1）桥梁在动荷载条件下的自振频率。

（2）通行汽车对桥梁的冲击系数计算。

汽车对桥梁冲击系数试验对象仍为10号跨与11号跨，试验采用载重汽车对桥梁进行不同行驶速度下的行驶激振，行驶速度分为20km∕h，40km∕h 和60km∕h 三个等级，按照对称行车模式进行试验，采集桥梁振动数据并对其进行分析，得出桥梁相关特性。

5.2 桥梁的阻尼比和自振频率

采用自谱分析方法得出桥梁自身动力性能。当载重汽车的行驶速度分别为20km∕h、40km∕h 时进行时域波形与自谱分析。基于脉动条件，桥梁自振频率范围为：2.483Hz～3.422Hz时，对应的阻尼比范围为0.036～0.111；基于车载条件，自振频率的主要成分位于3.5Hz附近时，阻尼比为0.0123左右。由相关规范数据的测算，本桥梁结构的自振频率约为10.31Hz，但试验测试值小于计算值；桥梁实际阻尼比为0.121，超出0.01～0.08 的正常范围。桥梁的实测频率小于计算频率，因此桥梁刚度相对较差。

5.3 通行汽车对桥梁的冲击系数

从动荷载应变和位移测试的试验所选取的测点中，挑选信号较好的三个测点，重点分析其相关测试数据。动荷载应变试验测量结果为1.26。经过对应变波形分析，汽车对桥梁冲击系数为1.21。

5.4 动荷载试验数据分析

通行汽车对桥梁的冲击系数在1.17～1.22范围内，当试验测试自振基频等于3.54Hz时，对应的冲击系数为1.22，说明桥梁自振频率较低，整体性能较差。经过对以上各项数据分析，并参照相关规范得出，本桥主梁自振频率差异大，桥梁结构受损严重，桥梁承载力已远低于设计值。

6 桥梁动静荷载试验结论

（1）根据现行相关规范，本桥实际承载力已经远低于设计值。桥跨的主体结构承载力已经远低于荷载的设计值，在特殊情况下桥梁的混凝土已无法受力，只有工字梁单独受力。

（2）因工字梁腹板较小，桥梁主梁的支点截面承载力已经无法达到设计标准，桥梁若继续运营将会产生十分严重后果。

（3）根据2004年提出的所有运营公路必须满足Ⅱ级荷载要求，本桥无法达到这一标准，故认定为危桥。

7 结束语

桥梁动静荷载试验技术已经十分成熟，在道路桥梁质量检测方面应用较多。已经成为现阶段桥梁检测试验的主流方法，并影响着桥梁性能和寿命周期等综合评价，不仅可以科学有效的鉴定建成道路桥梁承载力，还可以为旧桥安全使用与修复提供技术指导。