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橋梁靜載試驗的目的及分類
一、靜載試驗的目的
橋梁靜載試驗是指對處于工作狀態(tài)下或模擬支承的結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件分級緩慢施加設(shè)計或等效荷載，對結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件在靜力荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)(變形、開裂、破壞等)歷程進行測試，然后對現(xiàn)場測試結(jié)果進行分析處理，按照有關(guān)規(guī)范及規(guī)程判斷結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性前及使用狀態(tài)。
橋梁靜載試驗主要適用于模擬和研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在靜力荷載作用下的強度、剛度、抗裂性能等基本性能及破壞機制，通過分析結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在各種靜力荷載作用下應(yīng)力、應(yīng)變、撓度與所施加荷載的關(guān)系,為研究和判斷結(jié)構(gòu)工作性能提供科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)。橋梁靜載試驗試驗的目的包括以下幾個方面：
（1）檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，驗證其安全性與可靠度。
橋梁結(jié)構(gòu)尤其是大跨度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工是一項復(fù)雜的工作，其干擾因素多,施工控制困難，其施工質(zhì)量受設(shè)計、施工工藝、材料、環(huán)境等因素影響可能會出現(xiàn)各種不同的問題。因此，在橋梁竣工后往往要通過靜載試驗來檢驗結(jié)構(gòu)受力性能和承載能力是否達到設(shè)計文件和規(guī)范的要求，判定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，為將評定結(jié)果作為評定工程質(zhì)量優(yōu)劣的主要科學(xué)、可靠的依據(jù)。
（2）驗證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與計算方法
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料不斷推廣應(yīng)用，致使在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工中必然會遇到一些新問題,其設(shè)計、計算理論或設(shè)計參數(shù)需要通過試驗來予以驗證或確定。在積累大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,就可以逐步建立和完善這類設(shè)計理論與計算方法,為推動橋梁事業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
（3）掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載作力。
隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，已經(jīng)建成各類公路橋梁數(shù)量已將近100萬座，許多早期建造的橋梁已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀交通荷載的要求。早期建造的橋梁由于設(shè)計荷載等級偏低，橋梁由于設(shè)計、施工等原因產(chǎn)生的病害、運營環(huán)境影響、材料的退化等影響，以及交通量增加使橋梁處于超載運營狀態(tài)，給橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營帶來巨大的威脅。幾年來我國各類橋梁垮塌事件也時有發(fā)生，此外一些自然災(zāi)害和突發(fā)事件如地震、特大暴雨、泥石流以及車船撞擊等造成一些橋梁出現(xiàn)不同程度的損傷或破壞。因此，通過橋梁靜載試驗可以對橋梁承載能力和使用性能進行評價，為橋梁采取限載措施或加固改造提供依據(jù)。對于橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部構(gòu)件損傷的情況，可以通過試驗來判斷構(gòu)件的損傷程度及對整體承載能力、整體受力性能的影響。
（4）評定橋梁承載能力，完善橋梁技術(shù)資料
目前我國現(xiàn)役橋梁有很多都是早期建設(shè)的，由于管理不當(dāng)或其它原因等已經(jīng)無法查找到橋梁原設(shè)計、施工和竣工資料。對于沒有相關(guān)資料的橋梁通過靜載試驗，可以評估其使用性能和承載能力，確定橋梁的運營狀況和使用條件，并補充完善相關(guān)技術(shù)資料。
二、靜載試驗的分類
橋梁靜載試驗可采用多種分類方式，根據(jù)靜載試驗?zāi)康牟煌煞譃榭茖W(xué)研究性試驗和生產(chǎn)鑒定性試驗；根據(jù)試驗的對象不同，可以分為原型試驗和模型試驗；根據(jù)試驗場地的不同，可以分為室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗；根據(jù)荷載作用時間的長短，可以分為短期荷載試驗和長期荷載試驗；根據(jù)試驗對象的組成不同,可分為全橋整體試驗和局部構(gòu)件試驗。
關(guān)于橋梁靜載試驗控制荷載的理解
橋梁的靜載試驗通常需要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的形式來確定橋梁靜載加載的控制截面和荷載試驗工況。靜載試驗控制截面根據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力、撓度、裂縫等關(guān)鍵指標(biāo)來設(shè)定控制截面，控制截面的控制荷載需要通過橋梁的結(jié)構(gòu)有限元計算分析來確定。
而靜載試驗對控制截面內(nèi)力、應(yīng)力、撓度和裂縫關(guān)鍵指標(biāo)計算加載的標(biāo)準(zhǔn)目前主要按照橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載來計算。按照設(shè)計荷載來計算控制截面的主要受力指標(biāo)對于新建的橋梁結(jié)構(gòu)可能是比較合適的，因為新建橋梁的理論計算狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)之間差別較小。
對于既有運營的橋梁，由于橋梁結(jié)構(gòu)病害、構(gòu)件損傷以及材質(zhì)性能的退化以及缺乏橋梁歷次維修加固資料等，橋梁結(jié)構(gòu)若采用設(shè)計資料進行結(jié)構(gòu)有限元分析，則橋梁結(jié)構(gòu)模型與橋梁結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)之間可能會存在較大的偏差，最終會影響橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的評定結(jié)果。此外橋梁設(shè)計的荷載標(biāo)準(zhǔn)可能與橋梁實際運營狀態(tài)的現(xiàn)狀交通荷載會往往不同，采用設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)的計算結(jié)果作為橋梁荷載試驗的控制荷載也是不妥的。換句話來說，采用設(shè)計荷載作為計算試驗控制荷載的依據(jù)，即使橋梁荷載試驗的承載能力能滿足原設(shè)計荷載的承載要求，也不能保證橋梁結(jié)構(gòu)在現(xiàn)狀交通狀態(tài)下的安全運營。
綜上所述，橋梁靜載試驗在設(shè)計靜載加載方案時，對于控制截面的關(guān)鍵指標(biāo)計算的試驗控制荷載的選擇包括：橋梁設(shè)計荷載指標(biāo)和現(xiàn)狀交通荷載模型指標(biāo)。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)偏差較小，且現(xiàn)狀交通荷載與設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)基本相當(dāng)時，靜載試驗控制荷載計算可以選用設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)差別較大，應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)進行詳細的檢測，依據(jù)檢測結(jié)果來修正橋梁結(jié)構(gòu)的模型。當(dāng)橋梁現(xiàn)狀交通荷載與設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)相差較大時，應(yīng)該對橋梁通行的交通荷載進行調(diào)查統(tǒng)計，以橋梁實際統(tǒng)計分析的交通荷載作為試驗控制荷載的依據(jù)。
（1）設(shè)計控制荷載
為保證荷載試驗的有效性，要根據(jù)設(shè)計要求和現(xiàn)現(xiàn)行的規(guī)范確定控制荷載，不同的行業(yè)對控制荷載的規(guī)定也有所差異。
1） 公路橋梁
對于橋梁技術(shù)狀況等級比較好的橋梁，其設(shè)計狀態(tài)與橋梁結(jié)構(gòu)真實受力狀態(tài)差別較小時，可以采用設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)作為試驗控制荷載計算的依據(jù)。對于此類橋可以按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)或《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)；其荷載等級分為公路一I級和公路—Ⅱ級；荷載分為車輛荷載和車道荷載，主梁、主拱、主桁等整體結(jié)構(gòu)采用車道荷載控制，橋臺、橫隔板等局部加載采用車輛荷載。
2） 城市橋梁
橋梁技術(shù)狀況等級較好的橋梁，其設(shè)計狀態(tài)與真實橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)差別較小時，城市橋梁超載相對較少。因此城市橋梁設(shè)計控制荷載標(biāo)準(zhǔn)可以按照《城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 77-98）或《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ11-2011）（2019版）；其荷載等級為城—A級和城—B級；汽車荷載應(yīng)由車道荷載和車輛荷載組成，橋梁結(jié)構(gòu)的整體計算應(yīng)采用車道荷載，橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、橋臺和擋土墻壓力等的計算應(yīng)采用車輛荷載。
對于其它行業(yè)的橋梁和人行專用橋當(dāng)技術(shù)狀況較好時，其試驗控制荷載按照相關(guān)行業(yè)設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。
（2）現(xiàn)狀交通荷載作為控制荷載
當(dāng)橋梁現(xiàn)狀交通荷載與原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)相差較大時，即橋梁現(xiàn)狀交通荷載遠超過其設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)，橋梁靜載試驗控制荷載應(yīng)實際調(diào)查統(tǒng)計的交通荷載作為試驗控制荷載。
北京某國道上橋梁設(shè)計荷載等級標(biāo)準(zhǔn)為汽超-20級，其設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)中主車車輛重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為300kN，重車車輛的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為550kN。朱尚清等對該國道橋梁安裝動態(tài)稱重系統(tǒng)（WIM）,根據(jù)動態(tài)稱重數(shù)據(jù)對橋梁的車輛荷載模型進行了研究，統(tǒng)計回歸得到主車車輛重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為570kN，重車車輛的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為760kN。通過現(xiàn)狀交通荷載模型與設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)對比可知，該國道上橋梁現(xiàn)狀交通荷載遠超設(shè)計荷載，采用設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)作為橋梁靜載試驗的荷載是偏于不安全的。
因此對于早期建造的橋梁，當(dāng)橋梁現(xiàn)狀交通荷載與設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)相差較大時，即橋梁存在嚴(yán)重超載運營狀態(tài)，橋梁靜載試驗控制荷載宜采用現(xiàn)狀交通荷載，才能確保橋梁承載能力評定結(jié)果滿足橋梁安全運營的需求。
（3）試驗控制荷載的計算
通常對橋梁進行靜載試驗時橋梁結(jié)構(gòu)承載能力評定的依據(jù)的數(shù)據(jù)，不管是理論計算值還是現(xiàn)場測試值均是在試驗荷載作用下對應(yīng)的增量，不包括橋梁恒載產(chǎn)生的效應(yīng)。因此對于橋梁靜載試驗的控制荷載是基于活載效應(yīng)進行加載控制的，可以采用設(shè)計正常使用活載來控制,也可以采用現(xiàn)狀交通統(tǒng)計的活荷載來控制。在橋梁靜載加載試驗時模擬設(shè)計或現(xiàn)狀交通荷載所考慮的最不利受力狀態(tài),測試活載作用引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。通常情況下橋梁靜載試驗對于恒載產(chǎn)生的效應(yīng)是難以測量的，對于可以利用施工期間或橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實施時布設(shè)預(yù)埋傳感器等方法，測定控制部位的恒載應(yīng)力,以收集盡可能多的原始數(shù)據(jù),對結(jié)構(gòu)性能做出客觀、全面的判斷。
對采用多種設(shè)計活載控制的橋梁,需將各種活載對控制部位產(chǎn)生的最大效應(yīng)進行比較.取其中的最大者作為控制荷載。內(nèi)力(或變形)控制值采用設(shè)計荷載圖式在內(nèi)力(或變形)影響線上布載得到,并按規(guī)范計入人群、沖擊的影響。對預(yù)制裝配式橋梁,如T梁橋、箱形梁橋肋拱橋等,需進行荷載橫向分布計算,以構(gòu)件為單元進行最不利加載。
