桥梁静载试验挠度测量方法研究

王德魁

(大连市航运和物流发展服务中心 大连市 116021)

0 引言

桥梁检测中的静载试验是判定桥梁质量与性能的有效方法之一，通过荷载试验实测桥梁结构应变或变位与计算应变或变位的对比确定桥梁结构或构件承载能力检算系数[1]，从而评价桥梁的质量与安全性，其中对桥梁结构挠度的测量可以直观地反应结构性能，而其测量精度对桥梁状况的评定会产生非常重要的影响。

常用的桥梁挠度测量方法主要分为如下几种：全站仪测量法、百分表测量法、精密水准法、静力水准测量法、GPS测量法等，不同测量方法的测量精度、测量速度、试用条件不同。实际使用中需根据理论计算结果、规范规定以及实际的工作环境等因素进行选定。

1 挠度测量原理及精度

不同的挠度测量方法及原理不相同，下面对上述六种挠度测量方法精度、原理及适用条件分别进行阐述和分析。

1.1 全站仪测量法

全站仪测量实际是利用“光电测距三角高程法”对桥梁结构挠度进行测量，其适用原理如下：

Δ=S1sinα1-S2sinα2

其中：S1、S2为斜距；α1、α2为竖直角。

全站仪通过测量站位点与被测点之间的水平距离和天顶距(或高度角)，进而求得两点之间的高度差。使用全站仪进行挠度测量时，其误差主要来源于两个方面：

(1)人为因素：对于梁高较低，桥面宽度较大的桥梁，固定全站仪后，夹角α较小。因此在每次加载后进行测量时很难准确定位到观测点，进而导致测量结果出现误差。因此全站仪一般在桥梁高度较大的条件下使用。

(2)环境因素：大气折光现象。在进行三角高程测量过程中，大气折光变化会对挠度测量值产生影响。因此在使用全站仪进行挠度测量时，一般选择夜间操作，此时大气状态相对比较稳定。

1.2 百分表测量法

百分表是一种比较传统的挠度测量方法。在进行墩(台)顶挠度测量时，可利用铁饼直接将百分表固定在盖梁顶部，感应器与梁底测点对接即可；当对跨中挠度进行测量时，需通过钢丝线悬挂重锤，重锤底部与百分表感应器对接。当测量精度较高时还可以选用千分表。百分表进行挠度测量的原理是，通过齿轮转动设备将测点挠度值放大，并将直线往返运动转换成指针的转动，从而显示其位移数值。使用该方法进行挠度测量时，其优点是设备价格较低，操作简单，测量结果相对稳定。其误差主要包括如下两方面：

(1)人为误差：百分表测量挠度需通过人工读数，因此会产生人为误差。

(2)环境因素：当利用钢丝线悬挂重锤进行测量时，受风影响较大，而且梁高越高影响越明显，因此该方法适合梁高较低的情况下使用。

1.3 精密水准法

精密水准仪是一种在桥面上进行挠度测量的仪器，其测量原理是首先架设水准仪，设立一个不动点作为基准点，在测点位置竖立水准尺，通过测量测点与基准点之间的高差来推算挠度变化，该方法测量速度快，计算简便。其测量误差主要包括如下三方面：

(1)人为误差：需通过人工读数，因此会产生人为误差。

(2)在进行加载卸载过程中水准仪架设位置如果受到扰动会对测量结果产生影响。

(3)对于挠度变化较大或跨径较大的桥梁，水准仪架设位置与测点间距离较远，或需通过多次转点进行测量，会对测量结果产生较大影响。

1.4 静力水准测量法

静力水准测量法是一种测量精度较高，测量结果稳定，数据可靠的测量方法，其测量精度可达到±0.1mm，其主要原理为连通管，利用连通管将各测点连接起来，以观测各测点间高程的相对变化。该方法已实现自动化数据采集和处理，测量时可进行实时采集。该方法测量速度快，但造价高，安装过程较为繁琐。其量程一般小于20cm，因此不适用于挠度变化较大的桥梁。

1.5 GPS测量法

GPS测量法分为静态测量、准动态测量和动态测量三种测量模式，不同的测量模式，其测量精度和测量速度存在较大差别，一般静态测量的精度最高，可达到±1mm，但其测量时间较长，一般需1h以上；而准动态测量和动态测量的精度仅为±1cm，测量精度较低。因此，对于大挠度桥梁的检测，由于挠度值较大，应用GPS观测还是可以考虑的[1]。

2 静载试验

静载试验是一种评定桥梁结构运营状态及安全性能的检测手段。桥梁结构静载试验是按照桥梁的设计荷载等级，根据荷载的最不利位置，布置静载，或者根据桥梁结构的控制内力确定荷载及其位置，对桥梁结构进行加载[2]，通过对数据的测量及分析，进而评定结构的性能。

2.1 静载试验内容

通过理论计算得出加载方案，采用配重车加载方法对桥梁进行静载试验[3]，然后进行数据的采集和记录。本次静载试验主要包括边跨正弯矩工况、中跨正弯矩工况和支点负弯矩工况，测试内容主要包括：

(1)结构的竖向挠度，主要为主梁跨中挠度，每跨跨中选取5个测点，并取得最大的挠度及变形值，同时观测支座下沉值[4]。

(2)结构控制截面的最大应力(应变)[5]。

2.2 试验目的

根据相关试验准则、试验依据，确定本次检测及试验目的如下：

(1)通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形和内力，确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符，检验桥梁结构实际性能，如结构的强度、刚度等是否达到设计要求。

(2)桥梁运营管理提供基本信息或参考依据，为桥梁的管理、养护维修，积累技术资料。

(3)确保桥梁承载能力满足设计荷载标准。

(4)采用不同方式进行静载试验挠度数据采集，处理之后分别与理论值进行对比分析，为静载试验挠度测量仪器设备的选择提供参考。

2.3 仪器设备

(1)应变测试仪：应变计、桥梁结构静态数据采集仪。利用该仪器设备实现无线采集。

(2)挠度测试仪器：全站仪、百分表、千分表、精密水准仪、静力水准，分别采用四种方式进行挠度数据的采集。

(3)裂缝发展情况测量仪器：裂缝卡片、裂缝测宽仪。

2.4 理论计算

利用有限元分析软件，在不考虑桥面铺装中沥青和混凝土共同受力的情况下，以设计活载作用下计算得到的内力以及应力、挠度作为加载中的控制效应进行控制。在计算模型中对计算模型相关参数进行适当调整，使模型能真正反映桥梁结构现状[6]。以39t标准三轴自卸车作为加载物制定加载方案。根据《公路桥梁承载能力评定规程》(JTG/T 21—2011)条文8.1.2的规定，静力试验荷载可按控制内力、应力或变位等效原则确定。静载试验效率介于0.95～1.05之间[7](1.0为最佳加载效率)。

2.5 连续梁桥静载试验挠度测点布置

在进行T梁静载试验时需在跨中每片T梁底部设置挠度观测点，同时需测量墩顶处挠度变化情况，以两者挠度变化差值作为主梁跨中最终的加载挠度，如图1～图3所示为挠度测点布置情况。

图1 主梁跨中挠度测点纵向布置图

图2 跨中挠度测点布置图

图3 支点挠度测点布置图

2.6 静载试验加载方法

本次静载试验分为四级加载，加载效率分别为：50%、70%、90%和100%，卸载为一级。为控制加载试验中结构残余变形对试验的可能影响，待静力荷载试验完全加载到位后，应将试验车辆发动机关闭并持续至少5min，待试验数据完全稳定后现场记录，将卸载与紧邻的加载时间间隔控制在5min内[8]。在进行正式加载之前，需先进行预加载，待稳定后进行数据测量，避免结构出现塑性变形等情况，并确保仪器设备的能够正常运行，然后再进行正式加载。如图4所示为静力加载时采用的加载车。

图4 三轴自卸车加载现场照片

2.7 连续T梁静载试验结果分析

根据本连续T梁建设的相关要求、标准以及荷载试验规范，通过测量数据(应变、挠度、裂缝发展情况)与控制指标的对比，对本次静载试验结果进行分析，以确定该桥梁是否满足安全运营要求。对本次静载试验采用四种方法对主梁挠度进行测量，如表1所示为第54孔跨中四级加载后挠度的理论值、实测值以及加载效率。

表1 四级加载主梁跨中挠度结果表 mm

3 结论

(1)对于文中涉及到的桥梁，由于其桥下净空相对较小，桥下地面平整，适用百分表测量法，其测量精度可达±0.01mm，当对测量精度要求较高时，还可以使用千分表，其测量精度可达±0.001mm。利用“百分表测量法”实测值对其他几种方法进行校核可发现，“静力水准测量法”测量值较准确，而全站仪和精密水准仪测量结果存在一定偏差。

(2)静力水准法测量精度较高，而且可实现自动化实时采集。当桥梁挠度变化相对较小，且满足静力水准仪器安装条件时，可采用该方法进行挠度观测。

(3)对于大跨度桥梁，由于一般其桥下净空较高，且在进行静载试验时挠度变化较大，可采用全站仪观测，其测量精度可以满足要求，但测量速度较慢。

(4)挠度测量是静载试验中反映桥梁结构性能即安全性的关键性指标之一，采用不同的方法进行测量，其使用方法、适用条件、观测精度以及测量速度都存在较大的差别。因此在进行桥梁检测时需根据相关要求及实际工程进行选取。