橋梁靜載試驗

橋涵工程試驗檢測技術(shù)

第九章橋梁靜載試驗

第一節(jié)概述

橋梁荷載試驗分靜載試驗和動載試驗。靜載試驗是指將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，測試結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力。

對于橋梁結(jié)構(gòu)來說，靜載通常是指緩慢行駛到橋上的指定荷重級別的車輛荷載。當(dāng)試驗現(xiàn)場條件受限制時，有時也可以施加荷重(如堆置鑄鐵塊、水泥、預(yù)制塊件、水箱等)或者以液壓千斤頂?shù)确绞絹砟M某一等級的車輛荷載。

橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下所產(chǎn)生的變形可以分為兩大類：一類變形能反映結(jié)構(gòu)的整體工作狀態(tài)，如梁的撓度、轉(zhuǎn)角、支座位移等，稱為整體變形；另一類變形能反映結(jié)構(gòu)的局部工作狀態(tài)，如纖維變形、裂縫、鋼筋的滑動等，稱為局部變形。

測定撓度，可以了解結(jié)構(gòu)的剛度并分析結(jié)構(gòu)的彈性和非彈性性質(zhì)。撓度的不正常發(fā)展還能說明結(jié)構(gòu)中的局部現(xiàn)象；測定轉(zhuǎn)角可以用來分析超靜定結(jié)構(gòu)；控制斷面的最大應(yīng)變和應(yīng)變沿斷面的分布規(guī)律是我們推斷結(jié)構(gòu)極限強度的重要指標(biāo)。

撓度

撓度—彎曲變形時橫截面形中心沿與軸線垂直方向的線位移稱為撓度，用y表示。簡言之就是指梁、桁架等受彎構(gòu)件荷載作用下的最大變形，通常指豎向方向的,就是構(gòu)件的豎向變形.

撓曲線—如圖，平面彎曲時，梁的軸線將變?yōu)橐粭l在梁的縱對稱面內(nèi)的平面曲線，該曲線稱為梁的撓曲線。

撓度與荷載大小、構(gòu)件截面尺寸以及構(gòu)件的材料物理性能有關(guān)。

超靜定結(jié)構(gòu)

超靜定結(jié)構(gòu)—幾何特征為幾何不變但存在多余約束的結(jié)構(gòu)體系，是實際工程經(jīng)常采用的結(jié)構(gòu)體系。由于多于約束的存在，使得該類結(jié)構(gòu)在部分約束或連接失效后仍可以承擔(dān)外荷載，但需要注意的是，此時的超靜定結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與以前是大不一樣的，如果需要的話，要重新核算。

一、靜載試驗?zāi)康?/p>

橋梁結(jié)構(gòu)包括上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)兩部分。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的靜載試驗可以分為上部結(jié)構(gòu)試驗和下部結(jié)構(gòu)試驗。上部結(jié)構(gòu)有梁橋、拱橋、剛構(gòu)橋、斜拉橋、懸索橋等各種體系，下部結(jié)構(gòu)包括橋墩、橋臺、基礎(chǔ)三個部分。為了能夠較為客觀地反映橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，橋梁檢測一般采用實橋現(xiàn)場檢測。

一般橋梁靜載試驗主要是解決以下問題：

(1)檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量，驗證結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。(2)驗證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與計算方法，充實與完善橋梁結(jié)構(gòu)的計算理論與施工技術(shù)，積累科學(xué)技術(shù)資料。(3)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載能力。橋梁的靜載試驗是一項復(fù)雜而細(xì)致的工作，應(yīng)根據(jù)試驗?zāi)康倪M(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查，必要時進(jìn)行相關(guān)的理論分析，在此基礎(chǔ)上周密地制訂試驗方案，對于所有可能出現(xiàn)的問題都要認(rèn)真考慮并做出處理預(yù)案，提出切實可行的試驗計劃。

二、靜載試驗的主要工作內(nèi)容靜載試驗的主要內(nèi)容被包含在三個階段：橋梁結(jié)構(gòu)的考察和試驗準(zhǔn)備、加載試驗與觀測、測試結(jié)果的分析與總結(jié)

1.橋梁結(jié)構(gòu)的考察與試驗準(zhǔn)備是橋梁檢測順利進(jìn)行的必要前提。2.加載試驗與觀測是整個檢測工作的中心環(huán)節(jié)。3.測試結(jié)果的分析與總結(jié)是對原始測試資料進(jìn)行綜合分析的過程。32米預(yù)制箱梁靜載試驗實地核查-靜載試驗1第二節(jié)橋梁結(jié)構(gòu)的考察、試驗設(shè)計與準(zhǔn)備

一、試驗對象的考察1、技術(shù)文件和資料的收集

2、橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查二、荷載試驗的準(zhǔn)備工作荷載試驗正式進(jìn)行之前應(yīng)做好下列準(zhǔn)備工作。

1．試驗孔（或墩）的選擇對多孔橋梁中跨徑相同的橋孔（或墩）可選1-3孔具有代表性的橋孔（或墩）進(jìn)行加載試驗。選擇時應(yīng)綜合考慮以下因素：

（1）該孔（或墩）計算受力最不利；（2）該孔（或墩）施工質(zhì)量較差、缺陷較多或病害較嚴(yán)重；（3）該孔（或墩）便于搭設(shè)，腳手架，便于設(shè)置測點或便于實施加載。選擇試驗孔的工作與制定計劃前的調(diào)查工作結(jié)合進(jìn)行。

2．搭設(shè)腳手架和測試支架

腳手架和測試支架應(yīng)分開搭設(shè)互不影響，腳手架和測試支架應(yīng)有足夠的強度。剛度和穩(wěn)定性。腳手架要保證工作人員的安全、方便操作。

腳手架腳手架(scaffold)

指施工現(xiàn)場為工人操作并解決垂直和水平運輸而搭設(shè)的各種支架。建筑界的通用術(shù)語，指建筑工地上用在外墻、內(nèi)部裝修或?qū)痈咻^高無法直接施工的地方。主要為了施工人員上下干活或外圍安全網(wǎng)維護(hù)及高空安裝構(gòu)件等，說白了就是搭架子，腳手架制作材料通常有：竹、木、鋼管或合成材料等。有些工程也用腳手架當(dāng)模板使用，此外在廣告業(yè)、市政、交通路橋、礦山等部門也廣泛被使用。

測試支架要滿足儀表安裝的需要，不因自身變形影響測試的精度，同時還應(yīng)保證試驗時不受車輛和行人的干擾。腳手架和測試支架設(shè)置要因地制宜，就地取材，便于搭設(shè)和拆卸，一般采用木支架或建筑鋼管支架。當(dāng)橋下凈空較大不便搭設(shè)固定腳手架時，可考慮采用輕便活動吊架，兩端用尼龍繩或細(xì)鋼絲繩固定在欄桿或人行道緣石上。整套設(shè)置使用前應(yīng)進(jìn)行試載以確保安全，活動吊架如需多次使用可做成拼裝式以便運輸和存放。廣州黃埔在建高架橋鋼管架坍塌2死2傷

據(jù)現(xiàn)場北京城建集團(tuán)一楊姓工作人員介紹，事故發(fā)生時5名工人正在該路段作橋梁承受壓力的測試，將重量未知、內(nèi)裝泥沙的沙袋放置在一支架上，結(jié)果在放置的過程中支架變形才發(fā)生事故。他表示鋼管架的承受壓力是當(dāng)初設(shè)計好了，按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)完全可以承受3萬包沙包的壓力?！肮烙嬍沁@些天下雨，沙包重量超過了標(biāo)準(zhǔn)的40公斤，所以鋼管架才受不了壓力。原因疑是沙包浸水超重所致。

3．靜載試驗加載位置的放樣和卸載位置的安排靜載試驗前應(yīng)在橋面上對加載位置進(jìn)行放樣，以便于加載試驗的順利進(jìn)行。如加載工況較少，時間允許，可在每次工況加載前臨時放樣。如加載工況較多，則應(yīng)預(yù)先放樣，且用不同顏色的標(biāo)志區(qū)別不同加載工況時的荷載位置。靜載試驗荷載卸載的安放位置應(yīng)預(yù)先安排。卸載位置的選擇既要考慮加卸載方便，離加載位置近一些，又要使安放的荷載不影響試驗孔（或墩）的受力，一般可將荷載安放在橋臺后一定距離處。對于多孔橋，如有必要將荷載停放在橋孔上，一般應(yīng)停放在距試驗孔較遠(yuǎn)處以不影響試驗觀測為準(zhǔn)。4.試驗人員組織及分工橋梁的荷載試驗是一項技術(shù)性較強的工作，最好能組織專門的橋梁試驗隊伍來承擔(dān)，也可由熟悉這項工作的技術(shù)人員為骨干來組織試驗隊伍。應(yīng)根據(jù)每個試驗人員的特長進(jìn)行分工，每人分管的儀表數(shù)目除考慮便于進(jìn)行觀測外，應(yīng)盡量使每人對分管儀表進(jìn)行一次觀測所需的時間大致相同。所有參加試驗的人員應(yīng)能熟練掌握所分管的儀器設(shè)備，否則應(yīng)在正式開始試驗前進(jìn)行演練。為使試驗有條不紊地進(jìn)行，應(yīng)設(shè)試驗總指揮1人，其他人員的配備可根據(jù)具體情況考慮。

5．其他準(zhǔn)備工作加載試驗的安全設(shè)施、供電照明設(shè)施、通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)施、橋面交通管制等工作應(yīng)根據(jù)荷載試驗的需要進(jìn)行準(zhǔn)備。三、加載方案設(shè)計1．加載方試驗項目的確定為了滿足鑒定橋梁承載力的要求：荷載工況選擇應(yīng)反映橋梁設(shè)計的最不利受力狀態(tài)，簡單結(jié)構(gòu)可選1-2個主要內(nèi)力控制截面，復(fù)雜結(jié)構(gòu)可適當(dāng)多選幾個截面，但不宜過多。進(jìn)行各荷載工況布置時可參照截面內(nèi)力（或變形）影響線進(jìn)行，下面給出常見橋型荷載工況。（1）簡支梁橋1.主要：跨中撓度和截面應(yīng)力（或應(yīng)變），支點沉降。2.附加：跨徑1/4截面撓度，支點斜截面應(yīng)力。（2）連續(xù)梁橋1.主要：跨中撓度，跨中和支點截面應(yīng)力（或應(yīng)變），支點截面轉(zhuǎn)角和支點沉降。2.附加：跨徑1/4截面撓度和截面應(yīng)力（或應(yīng)變），支點斜截面應(yīng)力。（3）懸臂梁橋（T型剛構(gòu)橋）1.主要：懸臂端的撓度，固端根部或支點截面的應(yīng)力與轉(zhuǎn)角，墩頂?shù)淖兾唬ㄋ脚c垂直位移，轉(zhuǎn)角），T型剛構(gòu)墩身控制截面的應(yīng)力。2.附加：懸臂跨中撓度，牛腿部分局部應(yīng)力。

（4）拱橋

1.主要：跨中，跨徑1/4和3/8截面的撓度和應(yīng)力，拱腳截面的應(yīng)力，墩臺頂?shù)淖兾缓娃D(zhuǎn)角2.附加：跨徑1/8截面的撓度和應(yīng)力，拱上建筑控制截面的變位和應(yīng)力。

2．確定試驗荷載1）控制荷載的確定為了保證荷載試驗的效果，必須先確定試驗的控制荷載，控制橋梁設(shè)計的荷載有下列幾種：①汽車和人群（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載）；②掛車或履帶車（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載）；③需通行的特殊重型車輛。分別計算以上幾種荷載對結(jié)構(gòu)控制截面產(chǎn)生的內(nèi)力（或變形）的最不利值，進(jìn)行比較，取其中最不利者對應(yīng)的荷載作為控制荷載。因為掛車和履帶車不計沖擊力，所以動載試驗以汽車荷載作為控制荷載。

荷載試驗應(yīng)盡量采用與控制荷載相同的荷載，而組成控制荷載（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載）的車輛是由運管車輛統(tǒng)計而得的概率模型。當(dāng)客觀條件所限，采用的試驗荷載與控制荷載有差別時，為保證試驗效果，在選擇試驗荷載的大小和加載位置時采用靜載試驗效率η進(jìn)行控制。2）靜載試驗效率

靜載試驗效率為

式中：St―靜載試驗荷載作用下控制截面內(nèi)力計算值；

―控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計算值；μ―按規(guī)范采用的沖擊系數(shù)，平板桂車、履帶車、重型車輛，取“＝0’’。值可采用0.8-1.05，當(dāng)橋梁的調(diào)查、檢算工作比較完善而又受加載設(shè)備能力所限，值可采用低限；當(dāng)橋梁的調(diào)查、檢算工作不充分，尤其是缺乏橋梁計算資料時，值應(yīng)采用高限?？傊畱?yīng)根據(jù)前期工作的具體情況來確定，一般情況下值不宜小于0.95。荷載試驗宜選擇溫度穩(wěn)定的季節(jié)和天氣進(jìn)行。當(dāng)溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大時，應(yīng)選擇溫度內(nèi)力較不利的季節(jié)進(jìn)行荷載試驗，否則應(yīng)考慮用適當(dāng)增大靜載試驗效率來彌補溫度影響對結(jié)構(gòu)控制截面產(chǎn)生的不利內(nèi)力。當(dāng)控制荷載為掛車或履帶車而采用汽車荷載加載時；考慮到汽車荷載的橫向應(yīng)力增大系數(shù)較小，為了使截面的最大應(yīng)力與控制荷載作用下截面最大應(yīng)力相等，可適當(dāng)增大靜載試驗效率。

3）加載分級與控制為了加載安全和了解結(jié)構(gòu)應(yīng)變和變位隨試驗荷載增加的變化關(guān)系，對橋梁荷載試驗的各荷載工況的加載應(yīng)分級進(jìn)行。

分級控制的原則：①當(dāng)加載分級較為方便時，可按最大控制截面內(nèi)力荷載工況均分為4-5級。②當(dāng)使用載重車加載，車輛稱重有困難時也可分成3級加載。

③當(dāng)橋梁的調(diào)查和驗算工作不充分，或橋況較差，應(yīng)盡量增多加載分級，使車輛荷載逐輛緩緩駛?cè)腩A(yù)定加載位置，以確保試驗安全。④在安排加載分級時，應(yīng)注意加載過程中其他截面內(nèi)力亦應(yīng)逐漸增加，且最大內(nèi)力不應(yīng)超過控制荷載作用下的最不利內(nèi)力值。

根據(jù)具體條件決定分級加載的方法，最好每級加載后卸載，也可逐級加載，達(dá)到最大荷載后逐級卸載。為了減少溫度變化對試驗造成的影響，加載試驗時間以22：00至晨6：00為宜。對于采用車輛等加卸載迅速的試驗方式，如夜間試驗照明等有困難時亦可安排在白天進(jìn)行試驗，但在晴天或多云的天氣下進(jìn)行加載試驗時每一加卸載周期所花費的時間不宜超過20min。3．加載設(shè)備的選擇靜載試驗加載設(shè)備可根據(jù)加載要求及具體條件選用，一般有以下兩種加載方式。（1）可行式車輛可選用裝載重物的汽車或平板卒，也可就近利用施工機(jī)械車輛。選擇裝載故重物時要考慮車廂能否容納得下，裝載是否方便，裝載的重物應(yīng)置放穩(wěn)妥，以避免車輛行駛時因搖晃而改變重物的位置。采用車輛加載優(yōu)點很多，如便于調(diào)運和加載布置，加卸載迅速等。采用汽車荷載既能作靜試驗又能作動載試驗。這是較常采用的一種方法。（2）重物直接加載

一般可按控制荷載的著地輪跡先搭設(shè)承載架，再在承載架上堆放重物或設(shè)置水箱進(jìn)行加載。如加載僅為滿足控制面內(nèi)力要求）也可采取直接在橋面堆放重物或設(shè)置水箱的方法加載。

重物直接加載準(zhǔn)備工作量大，加卸載所需周期一般較長，交通中斷時間亦較長，且試驗時溫度變化對測點的影響較大，因此宜于安排夜間進(jìn)行試驗。4．加載重物的稱量可根據(jù)不同的加載方法和具體條件選用以下方法，對所加載進(jìn)行稱量。1）稱量法當(dāng)采用重物直接在橋上加載時，可將重物化整為零稱重后按逐級加載要求分堆置放，以便加載取用。當(dāng)采用車輛加載時，可將車輛逐軸開上稱重臺進(jìn)行稱重、如沒有現(xiàn)成可供利用的稱重臺，可自制專用稱重臺進(jìn)行稱重。

2）體積法

如采用水箱加載，可通過測量水體積來換算水的重力。3）綜合計算法無論采用何種確定加載物重力的方法，均應(yīng)作到準(zhǔn)確可靠，其稱量誤差最大不得超過5%。最好能采用兩種稱重方法互相較核。

四、測點設(shè)置1．測點布設(shè)（1）主要測點的布設(shè)：測點的布設(shè)不宜過多，但要保證觀測質(zhì)量。有條件時，同一測點可用不同的測試方法進(jìn)行校對，二般情況下，對主要測點的布設(shè)應(yīng)能控制結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力（應(yīng)變）和最大撓度（或位移）。幾種常用橋梁體系的主要測點布設(shè)如下。①簡支梁橋：跨中撓度）支點沉降，跨中截面應(yīng)變、②連續(xù)梁橋：跨中撓度；支點沉降，跨中和支點截面應(yīng)變。③懸臂梁橋：懸臂端部撓度、支點沉降，支點截面應(yīng)變。④拱橋：跨中，L/4處撓度，拱頂L/4和拱腳截面應(yīng)變。撓度觀測測點一般布置在橋中軸線位置。截面抗彎應(yīng)變測點應(yīng)設(shè)置在截面橫橋向應(yīng)力可能分布較大的部位，沿截面上、下緣布設(shè)，橫橋向測點設(shè)置一般不少于3處，以控制最大應(yīng)力的分布。第三節(jié)靜載試驗儀器設(shè)備

一、機(jī)械式位移計二、手持式應(yīng)變儀三、水準(zhǔn)管式傾角儀四、電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變片的原理與構(gòu)造電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻絲具有應(yīng)變效應(yīng)，即電阻絲的電阻值隨其變形而發(fā)生改變。不同用途的電阻應(yīng)變片，其構(gòu)造不同，但都有敏感柵，基底、覆蓋層和引出線，其結(jié)構(gòu)如下圖

金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式、金屬膜式和半導(dǎo)體式（壓阻式）。

電阻應(yīng)變片的分類及技術(shù)指標(biāo)應(yīng)變計的種類很多，按柵極分為絲式、箔式、半導(dǎo)體等；按基底材料分為紙基、膠基等；按使用極限溫度分有低溫、常溫、高溫等。下圖為幾種應(yīng)變片的形式。應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變花

在兩向應(yīng)力狀態(tài)時，需要測出一點的兩個或三個方向的應(yīng)變，才可求出此測點的主應(yīng)力的大小和方向。這就要使用粘貼在了個公共基底上，按一定方向布置的2-4個敏感柵組成的電阻應(yīng)變片。這種應(yīng)變片叫做電阻應(yīng)變花、應(yīng)變花或多軸應(yīng)變片。幾種絲式應(yīng)變花示意圖

結(jié)構(gòu)靜載試驗是用物理力學(xué)方法,測定和研究結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的反應(yīng),分析、判定結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)與受力情況。一.準(zhǔn)備工作

1.調(diào)查研究、收集資料

2.試驗大綱的制定（1）概述。（2）試件的設(shè)計及制作要求（3）試件安裝與就位。（4）加載方法與設(shè)備。（5）量測方法與內(nèi)容。

（6）輔助試驗。（7）安全措施。（8）試驗進(jìn)度計劃。（9）試驗組織管理。（10）附錄。

3.試件準(zhǔn)備（試件的設(shè)計、制作、驗收及有關(guān)測點處理）

4.材料物理力學(xué)性能測定測定項目：強度、變形性能、彈性模量、泊松比、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等。

5.試驗設(shè)備與試驗場地的準(zhǔn)備6.試件安裝與就位

7.加載設(shè)備和量測儀表安裝

8.試驗控制特征值的計算二.加載實施與控制

1.加載程序：a.采用重物加載時按荷載分級逐級施加,每級荷載堆放位置準(zhǔn)確、整齊穩(wěn)定。荷載施加完畢后，逐級卸載。b.采用車輛加載時，先由零載加至第一級荷載，卸載至零載；再由零載加至第二級荷載，卸至零載，直至所有荷載施加完畢

分級加（卸）載目的：1.便于控制加（卸）載速度2.方便觀察和分析結(jié)構(gòu)變形情況3.利于各點加載統(tǒng)一步調(diào)

靜載試驗的加載程序的三個階段：1.預(yù)載2.標(biāo)準(zhǔn)荷載（正常使用荷載）3.破壞荷載1.預(yù)載目的：（1）使試件各部接觸良好

(2）檢驗全部試驗裝置的可靠性（3）檢驗全部觀測儀表工