綜合分析橋梁荷載試驗(yàn)
2016-08-22
1 橋梁荷載試驗(yàn)的意義
橋梁結(jié)構(gòu)與生物的生長(zhǎng)、衰亡周期一樣，具有其獨(dú)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(duì)橋梁的使用狀況、缺陷及損傷進(jìn)行全面檢查，明確缺陷和損傷的性質(zhì)、部位、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì)，以便分析、評(píng)價(jià)缺陷及損傷對(duì)橋梁性能和承載力的影響。精確有效地評(píng)估橋梁的實(shí)際承載能力具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值：一方面它可以減少不必要的加固、維修費(fèi)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(yàn)是判定橋梁承載力性能時(shí)所不可忽略的重要步驟之一。橋梁荷載試驗(yàn)利用荷載作用引起橋梁結(jié)構(gòu)的變位和振動(dòng)從而測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)指定部位的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及加速度等數(shù)據(jù)。
2 橋梁荷載試驗(yàn)的分類
可按加載方式不同分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。
2.1 靜載試驗(yàn)
橋梁靜載試驗(yàn)主要測(cè)試橋梁控制截面的應(yīng)變、撓度和裂縫開展情況。將靜力計(jì)算結(jié)果與荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；并結(jié)合原施工控制時(shí)所獲得的成橋狀態(tài)恒載應(yīng)力以確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符，可判定結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)安全度，并評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。
（1）應(yīng)變觀測(cè)。首先由計(jì)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(yīng)變計(jì)或電阻應(yīng)變片測(cè)量其應(yīng)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(yīng)變測(cè)試結(jié)果可能不太理想。通過實(shí)測(cè)的應(yīng)變值和理論建模分析計(jì)算值的對(duì)比，可得到橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校驗(yàn)系數(shù)，該系數(shù)反映了橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際強(qiáng)度與設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)值的偏差程度。
（2）撓度觀測(cè)。用百分表、精密水準(zhǔn)儀或全站儀觀測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形情況。通過實(shí)測(cè)變形和理論建模分析的對(duì)比，可得到橋梁的結(jié)構(gòu)剛度校驗(yàn)系數(shù)，它反映了橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度與設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)值的偏差程度。
?。?）裂縫觀測(cè)。加載試驗(yàn)中裂縫觀測(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在結(jié)構(gòu)承受拉力較大部位及原有裂縫較長(zhǎng)、較寬的部位。靜載試驗(yàn)相對(duì)于動(dòng)載試驗(yàn)而言技術(shù)相對(duì)比較成熟，目前科研熱點(diǎn)主要集中于將新型傳感技術(shù)如GPS、光纖光柵和激光測(cè)量等方法應(yīng)用于實(shí)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(yīng)用。
2.2 動(dòng)載試驗(yàn)
橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性（頻率、振型和阻尼比）是評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)工作性能和進(jìn)行橋梁動(dòng)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(fēng)等動(dòng)力作用而產(chǎn)生振動(dòng)。動(dòng)載試驗(yàn)較靜載試驗(yàn)更接近于橋梁的實(shí)際使用狀態(tài)，可更有效地把握橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)性能。動(dòng)載試驗(yàn)屬于模態(tài)測(cè)試問題，一些研究人員希望通過對(duì)橋梁動(dòng)態(tài)特性如頻率、振型的分析而識(shí)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(cè)量并識(shí)別橋梁整體結(jié)構(gòu)的低階振動(dòng)頻率，對(duì)于振型則相對(duì)難以準(zhǔn)確測(cè)量；而直接利用測(cè)得的整體橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性來識(shí)別橋梁的局部損傷屬于力學(xué)中的反問題，對(duì)于復(fù)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(hù)措施，且很多損傷狀況可通過目測(cè)即可確定。因此，對(duì)于橋梁損傷的識(shí)別問題可能并非如此必要與迫切。
橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)按橋梁受激勵(lì)方式的不同可分為以下三類：環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)、車輛沖擊試驗(yàn)、激振器強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)。
2.2.1 環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)
環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)輸入與附近激勵(lì)源類別和特性相關(guān)。不同的激勵(lì)源，由于產(chǎn)生機(jī)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(dòng)，其幅值大小一般不超過0.2m/s2，頻帶范圍在0～80Hz；而風(fēng)荷載的頻帶范圍則在0～10Hz。實(shí)際輸入到橋梁結(jié)構(gòu)的激勵(lì)幅值大小和頻帶范圍則與結(jié)構(gòu)物自身及場(chǎng)址環(huán)境等諸多因素相關(guān)；很多橋梁場(chǎng)址處的環(huán)境激勵(lì)源往往難于確定，且很可能會(huì)同時(shí)存在多個(gè)激勵(lì)源的影響。因此，在理論分析中往往將環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)輸入近似簡(jiǎn)化為隨機(jī)白噪聲。將結(jié)構(gòu)在環(huán)境隨機(jī)脈動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，即可得到結(jié)構(gòu)的頻率、振型和阻尼。環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)方法不需要使用笨重的激振設(shè)備，因此。該方法對(duì)于難于進(jìn)行普通加載試驗(yàn)的超大跨橋梁結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。需注意的是，利用脈動(dòng)激勵(lì)測(cè)量得到的橋梁阻尼值為結(jié)構(gòu)在小幅振動(dòng)時(shí)的阻尼值，與結(jié)構(gòu)在大振幅時(shí)的阻尼值可能會(huì)有所不同。
2.2.2 車輛沖擊試驗(yàn)
車輛沖擊試驗(yàn)可按車輛激勵(lì)方式的不同分為跑車試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)。由于車輛荷載是橋梁所承受的主要設(shè)計(jì)荷載之一，通過在試驗(yàn)中模擬車輛的實(shí)際作用如跑車、制動(dòng)和跳車等行為，可更有效地把握橋梁的實(shí)際承載能力與工作特性。車輛和橋梁的作用問題實(shí)質(zhì)上是車輛一路面一橋梁的相互耦合作用問題，其機(jī)理十分復(fù)雜。由車輛沖擊試驗(yàn)可以得到橋梁的沖擊系數(shù)，為橋梁設(shè)計(jì)所需的重要參數(shù)之一。瑞士EMPA試驗(yàn)室曾進(jìn)行了大量中小跨徑公路橋梁的跑車試驗(yàn)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析回歸得到了梁橋基頻的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，同時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，橋梁的基頻實(shí)測(cè)值與理論預(yù)測(cè)值吻合良好。模態(tài)阻尼比值則相當(dāng)離散，所測(cè)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(duì)于橋梁阻尼與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的明確對(duì)應(yīng)關(guān)系仍需進(jìn)一步深入研究。制動(dòng)試驗(yàn)是用試驗(yàn)車輛以穩(wěn)定時(shí)速駛過橋梁，在橋梁上緊急制動(dòng)，測(cè)量橋梁各特征部位的響應(yīng)。制動(dòng)試驗(yàn)主要測(cè)定橋梁承受活載水平力的性能。跳車試驗(yàn)在預(yù)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(yàn)測(cè)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(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)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(shí)測(cè)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(duì)車輛進(jìn)行跑車試驗(yàn)時(shí)，往往要進(jìn)行多次以減小隨機(jī)誤差，并針對(duì)不同試驗(yàn)工況，進(jìn)行理論分析以有效理解和把握試驗(yàn)現(xiàn)象。
2.2.3 激振器強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)
橋梁強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)所需激振儀器多，試驗(yàn)時(shí)需專門中斷交通，且周期較長(zhǎng)，因此強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)較少在實(shí)際橋梁荷載試驗(yàn)中采用。但激振器強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)可控制激勵(lì)輸入且該激大小可知；可激起橋梁的大幅振動(dòng)f其測(cè)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(dòng)力特性。因此，橋梁的強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)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(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果評(píng)定橋梁承載能力的架構(gòu)，但是仍存在諸多的細(xì)節(jié)問題，在精細(xì)化研究方面仍有很多工作要做：
?。?）精確評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力。
?。?）校驗(yàn)橋梁的力學(xué)模型并予以修正。
?。?）校驗(yàn)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(xué)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(yàn)結(jié)果可以更精確地評(píng)估橋梁的實(shí)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(shí)際工程中將具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，一些新型快速的橋梁檢測(cè)傳感器、檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用也是國(guó)內(nèi)外常見的研究發(fā)展方向之一。
4 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，橋梁荷載試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，不僅要求工作人員有豐富的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)需要堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)作為指導(dǎo)。只有把理論和實(shí)際充分結(jié)合起來，再加上指揮者與各試驗(yàn)人員之間的默契配合，才能做好檢測(cè)工作并取得滿意的數(shù)據(jù)，也只有這樣才有可能做出準(zhǔn)確的評(píng)估。
