桥梁静力荷载试验的内容及方法简析

2022-09-11

桥梁静力荷载试验是检验桥梁实际承载能力的主要方法, 在新、旧桥梁承载能力鉴定以及桥梁科学研究中得以广泛应用, 在桥梁检测工作中, 是属于桥梁特殊检查的主要内容之一。静力荷载试验的原理是:将标准设计荷载或标准设计荷载的等效荷载施加于实桥结构的指定位置, 对实桥结构的应变分布、变形进行检测, 以此对实桥结构的性能作出判断, 从而达到检验桥梁结构的设计理论和计算方法是否合理, 检验桥梁结构的设计与施工质量, 判断桥梁结构实际的承载等级的目的。结全实际工作经验, 从以下几个方面论述桥梁静力荷载试验的工作内容和实施方法。

1 设计荷载作用下的桥梁结构验算

明确了试验结构之后, 首先要进行理论分析计算, 即按照试验桥梁的设计图纸与设计荷载, 选取合理的计算图式按照设计规范计算出桥梁结构的设计内力。其目的是确定各控制截面的位置及控制截面的最不利活载内力, 为测试截面的选取及加载方案提供依据。正确的计算是保证试验成功的基本前提, 通常实际桥梁结构及其组成材料与理论有所差别, 因此需要合理简化结构模型, 合理确定边界条件, 合理选用材料参数, 才能确保理论计算结果接近于真实结构。考虑到计算工作十分复杂, 建议采用结构分析软件如Midas Civil, Sap2000等进行, 计算完成后进行严格校核。

2 桥梁测试截面的选择及测点布置

静力荷载试验既要能够客观全面的评定结构的承载能力与使用性能, 又要兼顾试验成本的制约, 因此, 要进行合理的简化。一般情况下, 试验是在各种不同结构形式、不同跨径的各桥孔中选择具有代表性的一孔或几孔进行。

变形 (挠度) 测点应布置于被测桥孔的8分点或4分点所在的截面, 根据仪器及现场条件可布置于桥面或梁底面, 各截面在横桥向分左、中、右至少布置3点。应力 (应变) 测点应布置在被测桥孔理论计算的控制截面上, 必要时增加L/4、3L/4截面, 各截面应视桥宽与桥高在横向和竖向布均匀布置多个测点。

3 加载方案的设计

测试截面及测点确定后, 应确定合理的加裁方案, 包括加载方式的选择及加载位置、加载重量以及加载程序的设计。

常用的加载的方式有车辆荷载加载、重物加载、专用加力架加载三种, 试验应结合现场条件进行选择。车辆荷载加载即利用装载一定重量的运输车辆按加载方案布置于桥梁上进行加载的方法, 具有便于运输、加载卸载方便迅速等优点, 但需注意加载车辆严格称重, 保证误差不超过5%。重物加载则是利用铸铁块、预制块、沙袋等重物按加载方案分级施加于桥梁上的加载方法, 此方法准备工作量较大, 加载时间较长, 一般适用于单片梁试验或车辆交通受限制的桥梁试验。专用加力架则需要现场安装加力架, 利用千斤顶进行加载, 此方法一般用于对单片梁进行加载。

加载的位置及加载的重量则应通过试验荷载效应计算来确定。加载的方式确定后, 根据加载物的尺寸、重量等性质, 将其简化为集中荷载或均布荷载布置于计算结构上, 使之对各控制的截面产生的内力 (或变形) 接近设计的最不利活载产生的内力 (或变形) , 其原则是尽量利用最少最合理的加载物达到最大的效应。反应实际加载效应与设计荷载效应的接近程度用荷载效率η表示, 取值范围宜在0.8~1.05之间, 计算公式如下:η=St/Sd (1+μ)

St—试验荷载作用下, 检测部位变形或内力的计算值;

Sd—设计标准荷载作用下, 检测部位变形或内力的计算值;

μ—设计取用的冲击系数。

加载程序设计是为了保证试验顺利进行, 有效获取试验数据, 提高工作效率, 防止结构发生意外破坏而对试验的各工序进行统筹安排的工作。其主要内容有确定各控制截面试验工况, 确定试验加载、卸载的流程, 确定分级加载时各级荷载的大小, 确定加载时间的长短, 确定变形测量和应变测量的工作的方法和步骤。

4 荷载试验仪器的选用

静载试验的主要观测任务是量测结构的变形和应变, 结构的变形可采用百分表、精密水准仪、挠度仪、连通管等进行;应变测试可根据测试方法不同选用电阻应变仪、钢弦式应变计、机械式应变计等;此外, 对有裂缝观测要求时, 可选用裂缝宽度观测仪或刻度放大镜。仪器选择时应注意以下几点:

(1) 选用的仪器应满足测试精度的要求, 一般情况下要求测量结果的相对误差不超过5%, 但又要避免盲目追求精度, 因为通常情况下, 仪器越精密, 对环境的适应性就越差。

(2) 仪器仪表应当有足够的量程, 以满足测试的要求, 尽量避免因试验中途调试仪器增加误差。

(3) 相同测试内容, 尽量选择同一规格、型号的仪器进行测试, 防止出现差错。

(4) 仪器选择还要考虑环境因素的影响, 一般说来, 电测仪器的适应性不如机械式仪器仪表, 而机械式仪器仪表的适应性又不如光学仪器, 因此, 应根据实际情况, 采用既简便易行又能适应测试环境的仪器。

5 现场加载与数据采集

试验现场的组织是试验成功与否的关键所在, 现场需配备足够的技术人员及工人, 实行明确分工, 在充分准备的前提下方可开始加载试验。

加载前的准备工作主要有:工作面的准备、测点的现场布设、传感器安装、仪器安装与调试、加载系统的准备等等。其中, 工作面的准备主要是为测试工作建立一个良好的工作空间或平台, 如必要时搭设脚手架, 设置临时供电系统, 对测点位置进行清扫等;测点的现场布设主要是按方案对变形观点及应变观测点进行准确放样定位;传感器安装是在已准确放样的位置安设百分表、应变计等测量传感元件, 并采取适当保护措施;仪器安装与调试主要是在试验前将设备与传感元件进行连接, 并检验设备是否能正常工作, 是否能满足测量精度要求, 同时检测已安装的传感元件是否正常工作, 发现问题及时纠正;加载系统的准备则要根据加载方式, 按照方案配置加载物、加载车或其他加载设备, 对加载位置提前进行准确的放样定位, 并确定有序的加载控制措施。

在以上工作准备完成后, 按照方案预定的时间开始试验, 试验中, 实行全过程交通封闭, 防止意外干扰。正式加载前先进行预加载, 并检查仪器的工作状态, 消除非弹性变形。预加载卸载后, 进行零荷载测量, 即读取初读数, 或“清零”。然后, 按照方案既定的加载程序进行加载, 测读各级荷载作用用各测点的读数, 作好记录。试验过程中, 各测试项目应设专业测试小组, 各组人员均应配备对讲机或其他有效通讯设备, 各仪器应由专人负责, 且统一听取指挥人员号令, 有任何异常情况应及时向指挥人员反应。

试验过程中实行实时监控措施, 对现场测试数据及时进行分析, 检查是否与理论计算值相符, 此外, 还应安排人员检查裂缝时否有急剧增大, 薄弱部位是否有新裂缝出现, 组合构件是否发生错位, 墩台是否发生摇晃, 是否有异常声响等, 一旦出现异常情况, 应暂停加载, 查明原因及时采取相应措施处理。试验发生下列情况时, 应终止试验。

1) 在某一级试验荷载作用下, 控制点的应变急剧增大, 或某些测点应变处于持续增大不稳定状态。

2) 在某一级试验荷载作用下, 控制测点的应变或挠度超过规范允许值。

3) 加载过程中, 结构原有的裂缝长度, 宽度急剧增大且宽度超过规范允许值的裂缝大量增多, 对结构使用寿命造成较大影响。

4) 发生影响桥梁结构正常使用或承载能力的其他损坏。

6 试验数据的处理分析和试验结论

静力荷载试验最关心的是桥梁结构在试验荷载作用上的变形、应变是否满足设计要求, 同时, 关心其变形、应力随荷载变化是否符合规律。现场采集的原始试验数据是研究试验结果、评价桥梁使用性能与承载能力的主要依据。而这些原始数据需要通过去粗存精、去伪存真的科学方法进行处理, 才能得到反应真实试验结果的有效数据。主要的工作有试验数据的修正、测点变位 (挠度、位移、沉降) 与应变的计算、主要测点的校验系数和残余变形 (或应变) 计算、荷载横向分布系数计算、偏载系数计算、主要测点变位 (或应变) 与理论值的关系分析、裂缝发状况分析等。

根据上述的计算和分析的结果, 则可对试验桥梁的承载能力和工作性能作出客观的技术评价, 得出试验结论。评定依据主要由两方面组成:一是实测值与按实际结构尺寸、材料特性和静力边界条件得到的理论计算值比较得出的校验系数λ, 来说明结构的工作性能和安全储备;二是将实测与规范规定的挠度、强度和裂缝的容许值进行比较来说明结构所处的工作状况。

校验系数λ即为某一测点实测值与相应理论计算值的比值。当校验系数λ=1时, 说明实测值与理论值相符;当校验系数λ<1时, 说明结构工作性能较好, 承载能力有一定富余, 有安全储备;当校验系数λ>1时, 说明结构的工作性能较差, 设计强度不足, 不够安全。在《大跨径混凝土桥梁试验方法》中规定, 最大试验荷载作用下, 实测挠度、实测应变应满足下式要求:β

式中, α=1.05, β=0.7;

wt—实测挠度值或实测应变值;

wd—相应的理论挠度计算值或实测应变计算值。

同时, 规定卸载后最大残余变形与该点的最大实测值的比值满足下式要求:wp/wmax≤γ

式中, γ=0.2;

wp—卸载后最大残余变形的实测值;

wmax—该点在试验过程中的最大变形实测值。

采用校验系数进行评定之后, 还可将静载试验中桥梁控制截面的最大挠度及最大裂缝宽度与与设计规范中的最大容许值进行比较, 作出试验桥梁工作性能与承载能力的评价。

完成试验资料分析处理及桥梁技术评价之后, 应将桥梁静力荷载试验报告编制成册, 包括试验桥梁概况, 试验目的和依据, 试验方案, 试验成果与分析评价 (并附试验记录、图表、照片等) , 技术结论, 经验总结等内容, 完成全部试验工作。

摘要：系统地总结了桥梁静力荷载试验的工作内容, 对试验方案的设计、试验工作的现场组织、实施方法与步骤、试验结果分析与评定的方法等进行了说明, 并提出了试验中需要注意的事项。便于理顺桥梁荷载试验工作的思路, 提高工作效率, 确保试验顺利开展, 取得真实有效的成果, 完成对桥梁承载能力和工作性能的客观评价。

关键词：桥梁,静力,荷载试验,承载能力,荷载效率,挠度,应变,校验系数