综合分析桥梁荷载试验
2016-08-22
1 桥梁荷载试验的意义
桥梁结构与生物的生长、衰亡周期一样，具有其独特的生命周期。而在桥梁结构的生命周期内发生的结构缺陷和损伤将不可避免地影响桥梁的使用性能。为此，在桥梁的寿命周期内需对桥梁的使用状况、缺陷及损伤进行全面检查，明确缺陷和损伤的性质、部位、严重程度及发展趋势，以便分析、评价缺陷及损伤对桥梁性能和承载力的影响。精确有效地评估桥梁的实际承载能力具有重大的社会经济价值：一方面它可以减少不必要的加固、维修费用；另一方面，也可以确保交通基础设施的安全性能。桥梁荷载试验是判定桥梁承载力性能时所不可忽略的重要步骤之一。桥梁荷载试验利用荷载作用引起桥梁结构的变位和振动从而测试桥梁结构指定部位的应力、应变、位移及加速度等数据。
2 桥梁荷载试验的分类
可按加载方式不同分为静载试验和动载试验。
2.1 静载试验
桥梁静载试验主要测试桥梁控制截面的应变、挠度和裂缝开展情况。将静力计算结果与荷载试验结果进行对比；并结合原施工控制时所获得的成桥状态恒载应力以确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符，可判定结构的施工质量、运营安全度，并评估桥梁结构的承载能力。
（1）应变观测。首先由计算确定桥梁的控制截面，然后在主梁控制截面处粘贴振弦式应变计或电阻应变片测量其应变。由于混凝土材料自身的离散性及裂缝的影响，混凝土桥梁的应变测试结果可能不太理想。通过实测的应变值和理论建模分析计算值的对比，可得到桥梁结构的强度校验系数，该系数反映了桥梁结构实际强度与设计预计值的偏差程度。
（2）挠度观测。用百分表、精密水准仪或全站仪观测桥梁结构在荷载作用下的变形情况。通过实测变形和理论建模分析的对比，可得到桥梁的结构刚度校验系数，它反映了桥梁结构实际刚度与设计预计值的偏差程度。
（3）裂缝观测。加载试验中裂缝观测重点应放在结构承受拉力较大部位及原有裂缝较长、较宽的部位。静载试验相对于动载试验而言技术相对比较成熟，目前科研热点主要集中于将新型传感技术如GPS、光纤光栅和激光测量等方法应用于实际工程中去；另外，无线传感器技术在最近几年也得到了广泛的推广和应用。
2.2 动载试验
桥梁结构的动力特性（频率、振型和阻尼比）是评估桥梁结构工作性能和进行桥梁动力分析的重要参数。桥梁在生命周期内将不可避免地承受交通荷载、风等动力作用而产生振动。动载试验较静载试验更接近于桥梁的实际使用状态，可更有效地把握桥梁的实际运营性能。动载试验属于模态测试问题，一些研究人员希望通过对桥梁动态特性如频率、振型的分析而识别出结构的损伤情况。但就目前的技术水平而言，可以比较精确地测量并识别桥梁整体结构的低阶振动频率，对于振型则相对难以准确测量；而直接利用测得的整体桥梁结构动力特性来识别桥梁的局部损伤属于力学中的反问题，对于复杂且高冗余度的大跨桥梁结构，在技术上难度很大。需要指出的是，桥梁管理人员更迫切希望知道的是桥梁损伤后的承载能力和可靠度水平以及是否需要采取维护措施，且很多损伤状况可通过目测即可确定。因此，对于桥梁损伤的识别问题可能并非如此必要与迫切。
桥梁的动载试验按桥梁受激励方式的不同可分为以下三类：环境脉动激励试验、车辆冲击试验、激振器强迫振动试验。
2.2.1 环境脉动激励试验
环境脉动激励输入与附近激励源类别和特性相关。不同的激励源，由于产生机理不同，其频带范围和幅值大小往往也不同。如车辆交通引起的地脉动，其幅值大小一般不超过0.2m/s2，频带范围在0～80Hz；而风荷载的频带范围则在0～10Hz。实际输入到桥梁结构的激励幅值大小和频带范围则与结构物自身及场址环境等诸多因素相关；很多桥梁场址处的环境激励源往往难于确定，且很可能会同时存在多个激励源的影响。因此，在理论分析中往往将环境脉动激励输入近似简化为随机白噪声。将结构在环境随机脉动激励下的振动信号进行分析，即可得到结构的频率、振型和阻尼。环境脉动激励试验方法不需要使用笨重的激振设备，因此。该方法对于难于进行普通加载试验的超大跨桥梁结构具有独特的优势。需注意的是，利用脉动激励测量得到的桥梁阻尼值为结构在小幅振动时的阻尼值，与结构在大振幅时的阻尼值可能会有所不同。
2.2.2 车辆冲击试验
车辆冲击试验可按车辆激励方式的不同分为跑车试验、制动试验和跳车试验。由于车辆荷载是桥梁所承受的主要设计荷载之一，通过在试验中模拟车辆的实际作用如跑车、制动和跳车等行为，可更有效地把握桥梁的实际承载能力与工作特性。车辆和桥梁的作用问题实质上是车辆一路面一桥梁的相互耦合作用问题，其机理十分复杂。由车辆冲击试验可以得到桥梁的冲击系数，为桥梁设计所需的重要参数之一。瑞士EMPA试验室曾进行了大量中小跨径公路桥梁的跑车试验，由试验数据分析回归得到了梁桥基频的经验计算公式，同时也得到了桥梁的模态阻尼比和冲击系数的分布情况。试验数据统计分析结果表明，桥梁的基频实测值与理论预测值吻合良好。模态阻尼比值则相当离散，所测211座桥梁的最大模态阻尼比值是最小模态阻尼比值的25倍。结构的损伤破坏将在一定程度上增大其阻尼值，但对于桥梁阻尼与结构状态的明确对应关系仍需进一步深入研究。制动试验是用试验车辆以稳定时速驶过桥梁，在桥梁上紧急制动，测量桥梁各特征部位的响应。制动试验主要测定桥梁承受活载水平力的性能。跳车试验在预设位置设置直角三角木，由重车以不同速度从三角木上自由落体激振桥梁。跳车试验测定桥梁承受车辆活载竖向冲击力的性能。需注意以上跑车试验、制动试验和跳车试验所得到的冲击系数往往具有较大的区别，其所代表的含义也有所不同。实测冲击系数值与车速、桥型、路面情况等均有关联，研究人员在对车辆进行跑车试验时，往往要进行多次以减小随机误差，并针对不同试验工况，进行理论分析以有效理解和把握试验现象。
2.2.3 激振器强迫振动试验
桥梁强迫振动试验所需激振仪器多，试验时需专门中断交通，且周期较长，因此强迫振动试验较少在实际桥梁荷载试验中采用。但激振器强迫振动试验可控制激励输入且该激大小可知；可激起桥梁的大幅振动f其测试的参数往往比较全面且精度较高，可更全面地把握桥梁的动力特性。因此，桥梁的强迫振动试验对于新型桥梁结构仍具有其特定的意义。
3 桥梁荷载试验研究发展方向
综上所述可知，科研人员虽然在桥梁荷载试验研究方面做了大量的基础工作，并已初步建立了利用荷载试验结果评定桥梁承载能力的架构，但是仍存在诸多的细节问题，在精细化研究方面仍有很多工作要做：
（1）精确评估桥梁结构实际承载能力。
（2）校验桥梁的力学模型并予以修正。
（3）校验桥梁结构的可靠度模型并予以修正。
其中桥梁结构的力学模型问题主要指荷载的横向分布问题和非结构部件参与受力的问题。通过桥梁荷载试验结果可以更精确地评估桥梁的实际承载能力并判定桥梁是否需要维修/加固，研究结果在实际工程中将具有重大的社会经济价值。此外，一些新型快速的桥梁检测传感器、检测技术的开发应用也是国内外常见的研究发展方向之一。
4 结束语
综上所述，桥梁荷载试验是一项复杂而细致的工作，不仅要求工作人员有丰富的实际现场经验，同时需要坚实的理论基础作为指导。只有把理论和实际充分结合起来，再加上指挥者与各试验人员之间的默契配合，才能做好检测工作并取得满意的数据，也只有这样才有可能做出准确的评估。
