既有桥梁快速试验检测评估技术分析

唐文

（赣州市交通工程试验检测中心，江西赣州 341000）

0 引言

桥梁工程在投入使用后会受到多种因素影响而导致结构损伤，在多种因素的作用下降低桥梁自身的承载力。为保障桥梁的运营安全，需要对既有桥梁的承载力这一直接关系到桥梁质量的指标进行检测，基于试验检测结果采取相应的维护和保养措施。在此过程中，对既有桥梁的快速试验检测评估技术应用效果会直接关系到桥梁整体的运营安全。

1 既有桥梁快速试验检测评估基本步骤和程序

1.1 外观调查评定方法与原理

外观调查评定法主要是指从桥梁构件、部件、桥面系、上部结构、下部结构以及全桥等角度对桥梁进行试验检测，应用分层综合评定和单项控制指标相结合的方法，明确桥梁的整体几何尺寸和局部构造几何尺寸，能够及时发现既有桥梁中存在的病害种类和程度，进而基于检查的结果对桥梁结构进行评价。现阶段，外观调查评定法能够直接基于先进的检测仪器设备来实现[1]。对于既有桥梁的外观调查，在对桥梁的各种病害进行分析的过程中，最终也需要落实各类病害对桥梁整体承载能力产生的影响。因而，在实际应用外观检测评定法的过程中，也需要明确对于桥梁承载能力系数进行计算的原理。

现阶段，能够用于既有桥梁快速试验检测的桥梁承载能力系数计算公式为：

式（1）中：R.F.表示桥梁承载能力系数；Ru表示被评估的桥梁截面的真实极限强度，对应抗弯强度、抗剪强度等方面的指标；γD表示恒载的荷载系数；γL表示活载的荷载系数；1 表示活载的冲击系数；D表示桥梁截面的恒载效应；L表示截面的活载效应。

在遵循这一公式进行计算的前提下，需要明确桥梁承载能力具体会受到混凝土材料、荷载等方面指标变化的影响，因而在后续快速试验检测中，应考虑无损检测方法与荷载试验方法对提升桥梁质量检测评估科学性的作用。

1.2 无损检测方法

无损检测方法的应用不会对既有桥梁造成额外损伤，能够从桥梁材料损伤以及结构受力损伤两个方面来进行检测。其中，既有桥梁在使用中很容易由于疲劳损伤和钢筋腐蚀导致材料损伤。而在结构受力损伤方面，钢筋与混凝土的应用状况是无损检测方法中强调的重要内容。例如，对于既有桥梁结构中混凝土的性能检测，可以从桥梁承载能力的降低率角度来对桥梁的安全性和等级进行划分。对于桥梁承载能力中抗力降低率的计算，可以在应用可靠度校准方法的基础上，明确抗力与综合荷载效应之间的关系：

式（2）中：SGK、SQK分别表示基于规范规定的荷载标准值、汽车荷载标准值计算的效应；K1、K2分别表示恒载与汽车荷载的分项系数；γ3表示桥梁结构构件的工作条件系数，在桥梁构件受到延性破坏和脆性破坏的情况下也会产生不同的值；γ4、γ5分别表示材料分项系数、荷载分项系数的调整系数；RK表示桥梁结构构件的抗力标准值。

在明确这一关系的基础上，可以将桥梁设计规范中以标准值表达的设计表达式与基本变量相关的统计参数结合起来，基于既定的基本综合变量概率，将降低的抗力转化为修改的分项系数。在分项系数改变的情况下，涉及的桥梁可靠指标也会发生变化，进而使抗力与荷载效应之间的关系发生变化。在这种情况下，就可以直接通过改变抗力分项系数的方式来对桥梁结构的可靠指标进行计算，进而达到检测桥梁安全性等级和程度的目的。

1.3 荷载试验法

荷载试验法通常分为静力荷载试验以及动力荷载试验两种类型。静力荷载试验主要是基于静止的荷载作用原理，对桥梁指定位置结构的静位移、静应变以及裂缝等静态参数进行检测；而动力荷载试验则更多是利用激振方法来实现对桥梁结构振动中各项参数变化情况的检测[2]。在荷载试验法应用过程中会涉及一些理论计算的内容，能够实现对桥梁使用的实际受力状态和隐藏性病害的检测分析，因而在当前既有桥梁快速试验检测中有着更为广泛的应用。

2 荷载试验法在既有桥梁快速试验检测中的应用原理

荷载试验法是能够实现对既有桥梁快速试验检测的重要方法，需要依据更先进的检测设备和系统，实现对桥梁检测中涉及的各类指标数据的计算，从而提升桥梁检测的实际效果。

2.1 选取试验效率与加载工况

应用荷载试验法对既有桥梁进行快速试验检测，需要建立在明确试验效率与加载工况的基础上。

对于桥梁移动荷载的试验，主要应用静力荷载试验的方法，基于明确荷载试验能够反映的结构受力特点这一原理，在应用试验检测设备获得检测数据之后，应用以下公式来求得桥梁某一控制截面的计算效应以及桥梁截面对应的设计控制效应的比值：

式（3）中：Ss表示桥梁加载控制截面内力的最大计算效应值，单位为kN；μ表示冲击系数值；S`表示桥梁加载控制截面应力的最不利效应计算值，单位为kN；ηq表示静力试验荷载效率。

而对于加载工况的选取，则需要利用三轴载重加载车来满足荷载试验的要求。如图1 所示，在明确加载车尺寸的基础上，需要让车辆方向在荷载试验中能够保持一致，同时也需要控制好车间距离[3]。

图1 加载车尺寸明细

2.2 动态响应的采集

荷载试验法中对动态响应参数的采集，主要包括挠度与应变两个指标，在试验中需要分别基于动挠度和动应变的检测来明确桥梁受到损伤的实际情况。

2.2.1 动挠度的采集

对于既有桥梁挠度的采集，通常应用相对式测量以及绝对式测量的两种方法来实现。应用相对式测量方法，能够直接通过位移计、倾角仪以及电测仪配合采集系统来进行数据的采集和分析，进而得到相对式挠度；应用绝对式测量方法则需要从绝对加速度以及绝对速度两个指标入手，应用加速度传感器或速度传感器来获得相对应的加速度值，进而通过积分计算的方法得到绝对动位移值[4]。

在应用绝对式测量方法的过程中，会涉及以下公式：

式（4）～式（5）中：yda表示绝对动挠度；v0表示初始速度，单位为m/s；a表示加速度，单位为m/s；a0表示初始加速度，单位为m/s；v表示速度，单位为m/s。

2.2.2 动应变的采集

动应变的采集主要是基于桥梁移动荷载与静力荷载作用下产生的静态响应值的比值大小，通常需要基于实际获得的动挠度曲线变化情况，结合以下公式进行计算：

式（6）中：Smax表示桥梁处于移动荷载作用下时，测量位置的最大应变值，单位为m；Smin表示与最大应变值相对应的最小应变值，单位为m。

2.3 静态响应的计算

在明确采集的动态响应值大小之后，还需要进行桥梁动态响应值的计算。当桥梁受到移动荷载作用向其施加的荷载力时，基于动力增大系数的定义和原理，可以明确桥梁的动态响应与静态响应关系，能够应用以下公式表示。

式（7）中：Ss表示动态响应；Sdr表示静态响应；1 +μ表示实测动力增大系数。

在明确桥梁动态响应与静态响应关系的基础上，还可以直接明确桥梁静挠度与动挠度之间的关系，进而对既有桥梁的静挠度以及静应变进行计算。

2.4 评定承载能力

应用荷载试验的方法对既有桥梁承载能力进行评定，需要在明确以上各项数值计算原理和方法的基础上，基于测点的实测弹性挠度和相应的理论计算值比较情况来进行计算。在实际检测试验中，通常应用以下公式和符号进行计算：

式（8）中：ζ表示静力荷载试验的桥梁结构校验系数；Ss表示荷载作用下的桥梁实测弹性挠度值；Se表示荷载作用下桥梁测点的理论计算挠度值。

基于当前对桥梁工程质量检测提出的标准要求，在计算桥梁承载能力过程中，如果静力荷载试验结构校验系数的计算值不超过1，则可以证实桥梁的实际承载能力能够满足桥梁使用的要求；而如果得到的这一计算值大于1，则证明桥梁的承载力已经难以满足桥梁质量的要求。

3 应用荷载试验的实例分析

某既有桥梁工程以先张预应力空心梁板结构为主，跨径大小为13.8m，桥梁整体由9 片宽0.99m 的中梁和2 片1.495m 的边梁组成，桥梁路面总体宽度为12m。

在试验检测中，该工程以梁体跨中截面弯矩作为控制内力进行静力荷载试验，对不同工况下桥梁各梁体跨中截面的静挠度和静应变进行测试。同时，通过模态试验和移动荷载试验的方法，确定试验的控制变量为5km/h、10km/h、20km/h 的加载工况。在加载车单辆重375kN 的情况下，结合以上试验步骤和公式计算要求得到以下移动荷载试验数据：

当桥梁处于3#梁跨中弯矩的控制内力作用时，在单辆车移动荷载试验速度分别为5km/h、10km/h、20km/h 的情况下，计算得到的静载试验效率为0.64；当桥梁处于6#梁跨中弯矩的控制内力作用时，计算得到的静载试验效率为0.58；处于9#梁跨中弯矩的控制内力作用时，计算得到的静载试验效率为0.64。

基于计算得到的加载工况静载试验效率，还需要结合工况布置车辆荷载位置。例如，在桥梁处于3#梁跨中弯矩的控制内力作用时，单辆车的偏载工况应作用于梁体跨中的位置，进而对梁跨中截面的挠度和应变值进行测试。

在静力荷载试验中，基于工程整体要求共布置7个挠度测点和7 个应力测点，分别在桥梁的1/4、1/2、3/4 三个截面位置，以桥梁横向中间和两侧的位置，共布置9 个传感器。

结合表1 中数据可以发现，该工况下的4～6 梁静力荷载试验的效率处于0.95～1.05 之间，其余试验效率均未超过0.95，总体试验效率范围在0.48～1.04之间。

表1 某一工况下的桥梁静力荷载试验结果

而对该工况下的桥梁静力荷载挠度校验系数进行计算，发现梁的挠度校验系数普遍处于0.24～0.27之间，相对残余变形量在1.22%～5.04%之间。其中，对于静力荷载试验结果未超过0.95 的梁体，挠度校验系数在0.24～0.31 之间，相对残余变形在0～6.19%之间；对于该工况下的应变检测结果进行计算，发现梁的应变校验系数在0.42～0.54 之间，相对残余应变在0～3.03% 之间。其中，对于静力荷载试验结果未超过0.95 的梁体，应变校验系数在0.34～0.63 之间，相对残余应变在0～8.33%之间。基于桥梁工程的质量检验标准，证实该工况下的桥梁质量符合相应的标准要求。

4 结语

综上所述，应用荷载试验的方法能够有效满足对既有桥梁进行快速试验检测的要求。考虑到当前既有桥梁在投入使用后可能受到的各种因素影响，可以应用荷载试验的方法对桥梁的承载能力进行快速评定。在此过程中，需要明确各种影响桥梁承载力大小的因素和指标，严格遵循试验检测方法的步骤要求，在保证桥梁承载力检测评估效果准确性的基础上，更好地维护和保障既有桥梁的运营安全。