基于静载试验的公路桥梁健康诊断分析

1、基于静载试验的公路桥梁健康诊断分析张贤文(益阳市交通规划勘测设计院 湖南 益阳 413000)摘要：判断在役桥梁能否正常运营，需要通过准确、有效的方法对桥梁进行健康诊断和评定，静载试验作为一种科学、可靠的常见检测手段广泛应用于桥梁承载能力检测方面。基于此，以湖南省益阳市安化县温溪桥为例，结合静载试验结果，对该桥进行了健康诊断分析与评定，为后续的加固维修工作提供了参考依据。关键词：静载试验；公路桥梁；健康诊断1、前言社会进步和土木工程的发展带动了公路桥梁建设，据不完全统计，我国现有公路桥梁5000余座。随着车流量的增大，许多桥梁处于超负荷工作状态，同时，受运营环境和自身结构缺陷的影响，大部分桥梁

2、在其运营周期内，会出现不同程度的损伤，导致某些功能失效，带来工程隐患。因此，为了保证在役桥梁正常运营，应该采取适当手段，对其进行健康诊断分析，明确桥梁损伤严重程度，针对性的提出加固维修措施。近年来，桥梁健康诊断也是工程界和学术界研究的热点，不少学者做了这方面的研究：赵志国1等比较分析了目前的桥梁健康诊断方法，对桥梁健康诊断的应用现状进行了分析，并展望了其发展趋势；周海俊2等对桥梁荷载试验进行了综合论述，并对存在问题进行了分析；尹彬彬3等对桥梁技术状态评估中荷载试验检测技术进行了研究，说明了荷载试验目前的不足和局限性，对荷载试验发展方向进行了展望；王洪涛4等以北方某立交桥为例，结合外观检测、实体

3、检测和荷载试验结果，对桥梁病害成因进行了分析，并提出了加固维修措施。众多研究表明，荷载试验可以作为公路桥梁健康诊断的一种科学、可靠的检测手段。基于此，以湖南省益阳市安化县温溪桥为例，结合静载试验结果，对该桥进行了健康诊断分析，为后续的加固维修工作提供了参考依据。2、工程概况温溪桥位于安化县境内的温溪村，建于上世纪90年代。该桥上部结构为空腹式带拱肋石板拱，主跨净跨径25m，矢跨比为0.16，桥面宽度：净5.5m+2×1m，桥头连接线路面宽度为4m。主拱圈线形为悬链线，桥梁全长33.54m，现有荷载等级为公路-II级。随着当地经济的发展，通行该桥的车流量加大，该桥在该区域的地位日益提高

4、。由于受当时建造历史条件的限制，致使目前该桥在安全性能上存在多处隐患。一方面是车载重量增加，该桥长时期处于超荷载运营；另一方面该桥建设年代久远，原设计、施工资料均缺失，经过多年的使用，该桥在使用性能、安全性能方面存在较为严重的退化现象。为了该桥能继续安全地提供运输服务，必须对该桥的运营状况进行健康诊断与评估。该桥概貌如图1所示。图1温溪桥概貌图3、静载试验3.1试验目的根据规范要求，判断在役桥梁能否正常运营，必须对桥梁进行健康诊断，荷载试验是桥梁诊断重要手段，工程中常采用静载试验或动载试验进行桥梁检测。其中静载试验将静止车辆荷载作用在桥梁指定位置，主要测试桥梁控制界面应变、挠度及裂缝开展情况，

5、根据测试结果对桥梁结构承载能力进行评定，判断能否正常运营。3.2试验工况及加载车辆布置采用专业有限元分析软件对桥梁进行计算分析。该桥主、边跨跨中填料厚度（包括路面厚度）1.2m，依据有关规范，不计冲击力。选取拱顶及拱脚截面作为静载试验的主要测试截面。根据有限元分析软件计算结果，拟定两种静载试验工况：工况，拱顶截面最大正弯矩（中载）。工况，拱脚截面最大负弯矩（中载）。为了检测桥梁关键截面的受力和变形、桥梁的运营安全系数，按试验荷载效应与设计荷载效应等效的原则，对各测试截面活载内力进行计算分析，确定静载试验时荷载的大小。鉴于桥梁技术状况等级较低，主拱圈厚度偏薄，且桥头连接线为4m宽，故按单车道布载

6、，理论计算需要1辆装载后总轴重为350kN（前轴重70kN，后轴重280kN）的汽车，静载试验时用加载车直接加载。试验中对加载车进行配重、过磅，使加载车轴重达到试验要求经过计算确定，静载试验需用1辆试验加载车。3.3静载试验荷载效率试验荷载效应的计算是在设计内力计算结果的基础上，确定加载位置，加载等级以及试验荷载作用下结构反应大小的过程。在不影响主要试验目的的前提下，一般采用内力或变形等效的加载方式，根据设计标准荷载，计算书控制截面所产生的的理论最大内力，然后调整试验荷载，使试验截面实测内力逐渐达到理论最大内力值，以此进行检验鉴定。控制截面在试验荷载作用下的实测最大内力值与理论内力值的比值即是

7、静载试验荷载效率。桥梁的静力荷载试验按荷载效率来确定试验的最大荷载，静力荷载效率的计算公式见式1： (1)式中：Sstat试验荷载作用下检测部位变形或内力的计算值；S设计标准荷载作用下检测部位变形或内力的计算值；设计取用的动力系数在已有的技术资料的基础上，本次试验用专业有限元分析软件对桥梁进行了理论计算分析。实际荷载试验时，试验效率系数应控制在0.951.05之间。温溪桥在各荷载工况的荷载效率系数见表1。表1 荷载效率系数表控制截面试验工况S(KN.m)Sstat(KN.m)（%）拱顶截面最大正弯矩 (中载)25024010.96拱脚截面最大正弯矩 (中载)22423411.05由表1可知：1

8、.050.95，满足基本荷载试验条件。3.4挠度观测挠度是反应梁弯曲后横截面竖向变形的参数，传统的桥梁挠度测量大都采用百分表或位移计直接测量，目前在我国桥梁维护、旧桥安全评估或新桥验收中仍广泛应用。温溪桥现场挠度观测采用精度为0.01mm的百分表进行观测。在桥梁拱顶截面位置，沿横截面方向每个截面布置了3个测点进行挠度观测。拱顶截面具体布置如图2所示。图2挠度测点布置3.5裂缝观测对全桥特别是对拱顶、拱脚截面等敏感部位在加载前后均进行仔细的裂缝观测。首先用目测搜寻有无裂缝，如发现裂缝，则采用裂缝观测仪测量其宽度，用钢尺测量其长度，并做好记录。4、静载试验结果及数据分析4.1诊断数据分析静力荷载试

9、验跨中最大正弯矩即工况，拱顶截面测点挠度横向分布不均匀，拱板横向刚度较小，测试结果特征值见表2。表中正数表示向下挠曲变形，负数表示向上挠曲变形。表2挠度测试结果（单位：mm）项目测试截面拱顶 总变位实测值1.62 弹性变位实测值1.11 理论值1.21 校验系数0.92 残余变位实测值0.51 相对残余变位/%31.5 在静力荷载试验中，工况的拱顶挠度值达到1.62mm，超过理论值1.21mm，试验人员立即对拱圈顶部及拱脚等关键位置进行检查，未发现明显裂缝及其它损伤，位移数值5分钟内即稳定，卸载后每5分钟观测一次，共观测时长45分钟，10分钟内即稳定，残余挠度为0.51mm，相对残余变位为31

10、.5%，大于大跨径混凝土桥梁的试验方法所规定的容许值20%，挠度校验系数0.92接近1.0，表明桥梁结构在荷载作用下产生了较大的不可恢复变形，且安全储备较小。考虑到该桥技术状况差及受力性能不良的特点，试验终止，不再进行工况的试验。4.2健康诊断结果结合静载试验可知，各静载试验工况的荷载效率系数在0.951.05范围内，满足公路桥梁承载能力检测评定规程（JTGT J2120115）中有关条文的规定；拱顶最大正弯矩试验工况下，相对残余变位为31.5%，大于大跨径混凝土桥梁的试验方法所规定的容许值20%，表明桥梁结构在荷载作用下产生了较大的不可恢复变形；挠度校验系数0.92接近1.0，说明拱圈结构安

11、全储备较小；根据以上试验结果及分析数据，参照公路桥梁承载能力检测评定规程（JTGT J212011）8.3.1条，表明该桥在公路-II级荷载标准等效荷载作用下，承载力不能满足要求。对该桥采用了考虑各部件权重综合评定方法以及桥梁技术状况评定标准评定方法两种方法进行评定。该桥全桥结构技术状况评分为79.4分，但依据公路桥涵养护规范（JTG H1120046）3.5.2.2项，对重要部件（如墩台与基础、上部承重构件、支座）以其中缺损最严重的构件评分，其总体评定结果为四类桥。综上所述，该类桥必须停止运营，及时进行加固维修或拆除重建，以确保过往车辆和行人的生命财产安全。5、结语 温溪桥现场检测结果进一步证实了桥梁静载试验作为一种常见检测手段，可以广泛应用于公路桥梁健康诊断。但是桥梁结构在正常运营过程中受环境、交通等诸多不确定因素影响，要从真正意义上实现桥梁结构的实时监控与健康诊断，还有待进一步研究和探索。参考文献：1 赵志国,林师灼.现代桥梁健康诊断的最新发展与研究J.国外建材科技,2004, 25 (05): 57-592 周海俊,等.桥梁荷载试验研究综述J.中外公路,20