綜合分析橋梁荷載試驗
2016-08-22
1 橋梁荷載試驗的意義
橋梁結(jié)構(gòu)與生物的生長、衰亡周期一樣，具有其獨特的生命周期。而在橋梁結(jié)構(gòu)的生命周期內(nèi)發(fā)生的結(jié)構(gòu)缺陷和損傷將不可避免地影響橋梁的使用性能。為此，在橋梁的壽命周期內(nèi)需對橋梁的使用狀況、缺陷及損傷進行全面檢查，明確缺陷和損傷的性質(zhì)、部位、嚴重程度及發(fā)展趨勢，以便分析、評價缺陷及損傷對橋梁性能和承載力的影響。精確有效地評估橋梁的實際承載能力具有重大的社會經(jīng)濟價值：一方面它可以減少不必要的加固、維修費用；另一方面，也可以確保交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全性能。橋梁荷載試驗是判定橋梁承載力性能時所不可忽略的重要步驟之一。橋梁荷載試驗利用荷載作用引起橋梁結(jié)構(gòu)的變位和振動從而測試橋梁結(jié)構(gòu)指定部位的應力、應變、位移及加速度等數(shù)據(jù)。
2 橋梁荷載試驗的分類
可按加載方式不同分為靜載試驗和動載試驗。
2.1 靜載試驗
橋梁靜載試驗主要測試橋梁控制截面的應變、撓度和裂縫開展情況。將靜力計算結(jié)果與荷載試驗結(jié)果進行對比；并結(jié)合原施工控制時所獲得的成橋狀態(tài)恒載應力以確定橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)與設(shè)計期望值是否相符，可判定結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、運營安全度，并評估橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。
?。?）應變觀測。首先由計算確定橋梁的控制截面，然后在主梁控制截面處粘貼振弦式應變計或電阻應變片測量其應變。由于混凝土材料自身的離散性及裂縫的影響，混凝土橋梁的應變測試結(jié)果可能不太理想。通過實測的應變值和理論建模分析計算值的對比，可得到橋梁結(jié)構(gòu)的強度校驗系數(shù)，該系數(shù)反映了橋梁結(jié)構(gòu)實際強度與設(shè)計預計值的偏差程度。
?。?）撓度觀測。用百分表、精密水準儀或全站儀觀測橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形情況。通過實測變形和理論建模分析的對比，可得到橋梁的結(jié)構(gòu)剛度校驗系數(shù)，它反映了橋梁結(jié)構(gòu)實際剛度與設(shè)計預計值的偏差程度。
?。?）裂縫觀測。加載試驗中裂縫觀測重點應放在結(jié)構(gòu)承受拉力較大部位及原有裂縫較長、較寬的部位。靜載試驗相對于動載試驗而言技術(shù)相對比較成熟，目前科研熱點主要集中于將新型傳感技術(shù)如GPS、光纖光柵和激光測量等方法應用于實際工程中去；另外，無線傳感器技術(shù)在最近幾年也得到了廣泛的推廣和應用。
2.2 動載試驗
橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性（頻率、振型和阻尼比）是評估橋梁結(jié)構(gòu)工作性能和進行橋梁動力分析的重要參數(shù)。橋梁在生命周期內(nèi)將不可避免地承受交通荷載、風等動力作用而產(chǎn)生振動。動載試驗較靜載試驗更接近于橋梁的實際使用狀態(tài)，可更有效地把握橋梁的實際運營性能。動載試驗屬于模態(tài)測試問題，一些研究人員希望通過對橋梁動態(tài)特性如頻率、振型的分析而識別出結(jié)構(gòu)的損傷情況。但就目前的技術(shù)水平而言，可以比較精確地測量并識別橋梁整體結(jié)構(gòu)的低階振動頻率，對于振型則相對難以準確測量；而直接利用測得的整體橋梁結(jié)構(gòu)動力特性來識別橋梁的局部損傷屬于力學中的反問題，對于復雜且高冗余度的大跨橋梁結(jié)構(gòu)，在技術(shù)上難度很大。需要指出的是，橋梁管理人員更迫切希望知道的是橋梁損傷后的承載能力和可靠度水平以及是否需要采取維護措施，且很多損傷狀況可通過目測即可確定。因此，對于橋梁損傷的識別問題可能并非如此必要與迫切。
橋梁的動載試驗按橋梁受激勵方式的不同可分為以下三類：環(huán)境脈動激勵試驗、車輛沖擊試驗、激振器強迫振動試驗。
2.2.1 環(huán)境脈動激勵試驗
環(huán)境脈動激勵輸入與附近激勵源類別和特性相關(guān)。不同的激勵源，由于產(chǎn)生機理不同，其頻帶范圍和幅值大小往往也不同。如車輛交通引起的地脈動，其幅值大小一般不超過0.2m/s2，頻帶范圍在0～80Hz；而風荷載的頻帶范圍則在0～10Hz。實際輸入到橋梁結(jié)構(gòu)的激勵幅值大小和頻帶范圍則與結(jié)構(gòu)物自身及場址環(huán)境等諸多因素相關(guān)；很多橋梁場址處的環(huán)境激勵源往往難于確定，且很可能會同時存在多個激勵源的影響。因此，在理論分析中往往將環(huán)境脈動激勵輸入近似簡化為隨機白噪聲。將結(jié)構(gòu)在環(huán)境隨機脈動激勵下的振動信號進行分析，即可得到結(jié)構(gòu)的頻率、振型和阻尼。環(huán)境脈動激勵試驗方法不需要使用笨重的激振設(shè)備，因此。該方法對于難于進行普通加載試驗的超大跨橋梁結(jié)構(gòu)具有獨特的優(yōu)勢。需注意的是，利用脈動激勵測量得到的橋梁阻尼值為結(jié)構(gòu)在小幅振動時的阻尼值，與結(jié)構(gòu)在大振幅時的阻尼值可能會有所不同。
2.2.2 車輛沖擊試驗
車輛沖擊試驗可按車輛激勵方式的不同分為跑車試驗、制動試驗和跳車試驗。由于車輛荷載是橋梁所承受的主要設(shè)計荷載之一，通過在試驗中模擬車輛的實際作用如跑車、制動和跳車等行為，可更有效地把握橋梁的實際承載能力與工作特性。車輛和橋梁的作用問題實質(zhì)上是車輛一路面一橋梁的相互耦合作用問題，其機理十分復雜。由車輛沖擊試驗可以得到橋梁的沖擊系數(shù)，為橋梁設(shè)計所需的重要參數(shù)之一。瑞士EMPA試驗室曾進行了大量中小跨徑公路橋梁的跑車試驗，由試驗數(shù)據(jù)分析回歸得到了梁橋基頻的經(jīng)驗計算公式，同時也得到了橋梁的模態(tài)阻尼比和沖擊系數(shù)的分布情況。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果表明，橋梁的基頻實測值與理論預測值吻合良好。模態(tài)阻尼比值則相當離散，所測211座橋梁的最大模態(tài)阻尼比值是最小模態(tài)阻尼比值的25倍。結(jié)構(gòu)的損傷破壞將在一定程度上增大其阻尼值，但對于橋梁阻尼與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的明確對應關(guān)系仍需進一步深入研究。制動試驗是用試驗車輛以穩(wěn)定時速駛過橋梁，在橋梁上緊急制動，測量橋梁各特征部位的響應。制動試驗主要測定橋梁承受活載水平力的性能。跳車試驗在預設(shè)位置設(shè)置直角三角木，由重車以不同速度從三角木上自由落體激振橋梁。跳車試驗測定橋梁承受車輛活載豎向沖擊力的性能。需注意以上跑車試驗、制動試驗和跳車試驗所得到的沖擊系數(shù)往往具有較大的區(qū)別，其所代表的含義也有所不同。實測沖擊系數(shù)值與車速、橋型、路面情況等均有關(guān)聯(lián)，研究人員在對車輛進行跑車試驗時，往往要進行多次以減小隨機誤差，并針對不同試驗工況，進行理論分析以有效理解和把握試驗現(xiàn)象。
2.2.3 激振器強迫振動試驗
橋梁強迫振動試驗所需激振儀器多，試驗時需專門中斷交通，且周期較長，因此強迫振動試驗較少在實際橋梁荷載試驗中采用。但激振器強迫振動試驗可控制激勵輸入且該激大小可知；可激起橋梁的大幅振動f其測試的參數(shù)往往比較全面且精度較高，可更全面地把握橋梁的動力特性。因此，橋梁的強迫振動試驗對于新型橋梁結(jié)構(gòu)仍具有其特定的意義。
3 橋梁荷載試驗研究發(fā)展方向
綜上所述可知，科研人員雖然在橋梁荷載試驗研究方面做了大量的基礎(chǔ)工作，并已初步建立了利用荷載試驗結(jié)果評定橋梁承載能力的架構(gòu)，但是仍存在諸多的細節(jié)問題，在精細化研究方面仍有很多工作要做：
（1）精確評估橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力。
?。?）校驗橋梁的力學模型并予以修正。
（3）校驗橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度模型并予以修正。
其中橋梁結(jié)構(gòu)的力學模型問題主要指荷載的橫向分布問題和非結(jié)構(gòu)部件參與受力的問題。通過橋梁荷載試驗結(jié)果可以更精確地評估橋梁的實際承載能力并判定橋梁是否需要維修/加固，研究結(jié)果在實際工程中將具有重大的社會經(jīng)濟價值。此外，一些新型快速的橋梁檢測傳感器、檢測技術(shù)的開發(fā)應用也是國內(nèi)外常見的研究發(fā)展方向之一。
4 結(jié)束語
綜上所述，橋梁荷載試驗是一項復雜而細致的工作，不僅要求工作人員有豐富的實際現(xiàn)場經(jīng)驗，同時需要堅實的理論基礎(chǔ)作為指導。只有把理論和實際充分結(jié)合起來，再加上指揮者與各試驗人員之間的默契配合，才能做好檢測工作并取得滿意的數(shù)據(jù)，也只有這樣才有可能做出準確的評估。
