有关公路桥梁荷载试验的研究
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作者: 黄芬
摘要：作者针对公路桥梁荷载试验做了一些理论和实践的探讨，主要包括公路桥梁荷载试验的作用及其相关分类，并且对荷载试验的试验方法作了详细的介绍。
关键词：公路桥梁 荷载试验
1、研究背景
公路桥梁工程，相对于其它基础工程,其具有高造价，大投资，巨大的社会效益等特点。所以竣工验收时对桥梁工程内在质量进行评判最有效直接的方法是怎样去保证桥梁工程的施工质量和勘察设计, 同时也为经验积累、施工设计和技术总结, 为提高桥梁工程设计总体水平创造条件, 为今后桥梁的养护工作提供科学、有效的依据。桥梁荷载试验是在强化管理、质量监督、施工等相关程序的前提下, 对一些形式新颖、隐蔽工程、影响力大的桥梁进行整体的实际荷载试验, 桥梁荷载试验是确保桥梁工程质量的一件十分重要的工作[1]。
2、公路桥梁荷载试验的作用及其相关分类
2.1 桥梁荷载试验的作用与目的
影响桥梁工程质量的因素主要是设计理念，建筑材料，施工技术和自然条件等因素,在操作过程中, 人们一般采取模型试验、施工监控、材料和结构试验、成桥后的动静载试验等来检测桥梁工程的质量[2]。
桥梁荷载试验的作用和目的, 是在试验荷载作用下，利用对桥梁结构直接加载后进行有关的分析，测试和记录工作,主要包括试验准备、理论计算、现场试验及试验结果分析、整理等等相关的工作, 达到了解和检测桥梁结构的实际工作状态和实际使用状况。
通过桥梁荷载试验,可以解决对于采用新材料、新方法、新工艺、新构造等条件修建的桥梁, 还有很多比如结构的材料性能、反应动力等不能构建与其相对应完善的计算模型, 或数学模型和实际构造之间的差距等问题，通过桥梁荷载试验可以直接算得理论分析和计算的有关参数，了解相关桥梁结构在荷载条件下的具体工作受力状况，研究桥梁结构受力的基本规律和相关检验是否符合国家标准的设计要求, 为进一步发展桥梁设计的计算理论及施工技术奠定了科学的理论基础。
同时桥梁荷载试验也是对新完工的桥梁竣工验收及质量评定的重要方法, 特别是大跨度、复杂结构的桥梁。相对于已有桥梁, 尤其是建造时间较长，已无法查到桥梁原始设计、施工和竣工资料, 采用桥梁荷载试验也可以估算其荷载能力和使用状况, 为已有桥梁的进一步安全使用、养护管理、限载或改建提出了科学的依据。所以桥梁工程的成功发展, 相关试验技术的进步和发展也起着重要的作用。
2.2 桥梁荷载试验分类
(1)动载试验是指通过某种激振方法产生出桥梁结构的振动, 检测桥梁结构的固有频率，振型，阻尼比，动力冲击系数，行车响应等相关参数, 进而测定桥梁结构的总体刚度和行车性能的试验。
(2)静荷载试验是指在静止的荷载影响下，在桥梁的其中一个指定位置检测桥梁结构的静力应变，位移和裂缝等相关参数, 进而推测出在静荷载影响下桥梁结构的使用性能和工作能力的试验。 静载试验的加载过程由零开始逐渐增加到预定的荷载为止，一般通过重力或其它类型的加载设备来满足和完成加载。桥梁荷载试验中最常用、最基本的基础试验就是静载试验，由于当桥梁结构工作时所承受的荷载是静力荷载, 其中桥梁结构的自重也是静力荷载,甚至在设计计算时随时间而变的移动车辆荷载通常也作为静力荷载来考虑，即使是在进行桥梁结构动力试验时, 一般也要先进行静荷载试验,以测定结构的相关参量，因此静载试验是了解桥梁结构特性的重要方法和途径。
3、荷载试验的方法
3.1 动载试验
动载试验的检测项目一般包括仅与结构自身的固有性质相关的桥梁动力特性模态参数测量(比如频率振形、阻尼比)；在具体的动载影响条件下，桥梁结构的桥梁动力响应测量(比如动挠度，加速度，动应力，冲击系数)。
3.1.1 测试的相关仪器
动载试验的相关测试仪器通常为信号放大器、测试传感器、磁带记录仪波器及数字信号处理器，可以依据使用传感器的特征和仪器的有关性能选取不同的测试体系。
3.1.2 桥梁动载试验的激振方法
桥梁动载试验的激振方法一般依据桥梁的整体刚度和构造，选取效果好、方便实施的方法。通常采用的激振方法主要是(1)强迫振动法也称共振法即利用激振仪器对桥梁整体结构实施激振力，通过采用不同激振力的频率使得桥梁整体结构产生共振同时依据共振反应的情况来判定桥梁结构动力特性的方法。(2)瞬态激振法也称自振法即迫使桥梁整体结构产生有阻尼的自由衰减振动并且记录下桥梁的衰减振动曲线的振动图形的方法。(3)脉动法即利用附近设施（比如车辆等）的振动而使桥梁结构发生较小且不规则振动的方法，这种方法可以准确的测试出其桥梁结构的固有频率，通常用于索塔和大跨度桥梁的测定[3]。
3.1.3 动载试验数据分析及其测定
桥梁结构的动力特性测定经常采用的分析处理方法分为时域分析和频域分析。时域分析即直接对时程曲线进行分析并获得振型、阻尼比、冲击系数等相关参数的方法。频域分析即经过傅立叶变换对时域信号进行数学化处理，进而判定结构频率和分布特性的方法。
(1)固有频率的测定，桥梁固有频率的测定能通过在实测记录的功率谱图上直接测试体系的时域历程曲线、峰值或其自相关图上确定，而且还可以通过基频测算出承重结构的动刚度。与较简单的结构的动力分析相比较，只需结构的一阶频率；而与较复杂结构的动力分析相比较，还需进行第一、第二甚至更高阶的频率。当实测值小于理论计算值时，表明桥梁结构的实际刚度较大，桥梁结构正常。当实测值大于理论计算值时，相反则表明桥梁结构的刚度较小，桥梁结构可能出现或存在开裂等其他异常现象。
(2)阻尼的测定，桥梁结构的阻尼特性一般是取决于阻尼比D和对数衰减率δ的关系，也可依据时域信号中的振动衰减曲线来测得，当然也可在功率谱图中利用半功率带宽法来测算阻尼，还有通常的测试体系软件都能够作这类分析。 通常桥梁的阻尼较小(在0.01~0.08之间)。如果阻尼比较大，则表明桥梁结构耗能较强，但如果是过大的阻尼比则表明支座工作情况异常、或结构出现裂缝、或均质程度较差现象等。
(3)振型的测定，振型测定是利用共振法把各个传感器分别安装在桥梁结构的不同部位，当激振设备迫使桥梁结构产生共振时，并记录下桥梁结构的各个部位的振幅和相位，然后采用对比的方法将各个测点的振幅和相位绘出振型曲线。
(4)冲击系数的测定，目前获得冲击效应的唯一可行的方法是利用动载试验测试桥梁结构冲击系数。与线性弹性状态下的结构相比较，动荷载产生的荷载效应和静荷载产生的荷载效应的比值为1+μ，所以冲击系数的测试通常运用测定桥梁结构动应变或动挠度的方法。 测试前，在桥梁的最大变位、应变处或跨中布置电阻应变片式的应变仪，并且将动态应变仪与电脑相连接。试验时，利用加载车辆以一定速度从测点或在测点附近做跳车试验，同时记录下其相应输出应变随时间变化的实际信号。为作进一步的对比分析，一般需要测算并记录不同车速下的输出应变随时间变化的实时信号结果。利用车辆试验测定的动力冲击系数，能够在评定桥梁结构的行车性能方面进行运用，当实际测得的桥梁冲击系数太大或太小，都表示有较差的桥梁结构行车性能。
3.2 静载试验
3.2.1 加载方案的确定
在试验前，首先确定试验桥孔、墩或台，然后进行加载方案的确定。试验孔的选择主要考虑以下几个因素：(1)孔或墩施工质量很差、缺陷很多或病害很严重。(2)孔或墩受力计算最不利。(3)孔或墩便于加载时搭设脚手架和设置测点。 试验孔或墩的选择直接影响到我们所进行的试验是否能够准确地测算出此处结构和总体桥梁结构的性能好坏，因此这项工作需要丰富的现场试验经验，是一项非常关键步骤。
3.2.2 加载与观测阶段
(1)确定观测项目
一般桥梁观测的项目主要包含桥梁结构的最大挠度和拉力，支座沉降，裂缝，压应力的出现和扩展情况等。在荷载影响下桥梁变形通常分为两类：其中之一是反映桥梁总体结构工作情况的总体变形，另一个是反映结构局部工作情况的局部变形。测量部位的选取和测点布置在符合试验要求的前提下通常应选取尽量充分的测点数量，具有代表性的测点位置目的是方便计算分析。
(2)试验仪器及其观测方法
光学测量的非接触式测量常用仪器为经纬仪、精密水准仪、全站仪等；位移测量一般可分为机械测量和电测法的接触式测量，常用仪器有挠度计、百分表、位移传感器等；应变测量通常也分为两类，其中之一是主应力方向未知，在测试点分别向三个方向布设成应变花形式，常用仪器为应变片、振弦式应变计、电阻应变仪、钢筋应力计等。另一类是主应力方向已知，顺着主应力方向布置应变片，裂缝测量一般依据目力辅以刻度放大镜，在要求不高的情况下对于裂缝较大的通常可使用塞尺测量。
3.2.3 分析总结阶段
静载试验的数据分析理整是从理论探索现象，是对整个桥梁结构作出相应的技术评价，是对试验数据更深一步分析的过程。桥梁结构静载试验的估算有两种指标，其一是将相关规定的允许值和检测测点的实际值进行对比分析来解释结构所处的工作状况，其二是依据控制测点的实测值与相应的理论计算值进行对比分析来判定桥梁结构的安全性能和工作性能。其中校验系数是评价桥梁结构应用最多的安全储备指标，校验系数是指某一相应的理论计算值和测点的实际测值的比值（实际测值主要包括观测位置的位移、挠度、应力等大小）。如果校验系数大于1时，表明桥梁结构的设计强度不充足，不够安全，工作性能较差；当校验系数小于1时，表明桥梁承载力有一定剩余空间，有安全储备，桥梁结构工作性能较好。
4、小结
桥梁检测是一项艰苦而繁琐的工作，不仅需要工作人员具有扎实的理论基础和丰富的实际现场经验，同时需要工作人员不断的提高自身的服务意识和学习素质。本文通过对桥梁检测静动试验的简单介绍，得出了在桥梁检测中各个项目所需要达到的目标和荷载试验所需要注意的相关事项，为荷载试验的准备和实施工作提供了科学的参考依据，为桥梁的检测提供了的有效的方法和论证。
参考文献：
[1]张俊平，主编，姚玲森主审．桥梁检测[ M]．北京:人民交通出版社, 2002．
[2]宋一凡，编著．公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京:人民交通出版社, 2002．
[3]谌润水， 胡钊芳．公路桥梁荷载试验[M]．北京:人民交通出版社, 2003．
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