桥梁实验新方法研究

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摘要：桥梁荷载试验是新桥验收、旧桥维护改造进行的一种试验方法，是检验桥梁实际运行状况，保障桥梁安全的重要手段之一。本文首先分析了桥梁荷载试验存在的局限性，并针对桥梁荷载试验需要全桥中断交通，而这在实际操作中会带来很大不便这一问题，提出了无需中断交通就可进行的桥梁试验新方法。

关键词：荷载试验 中断交通 静载试验 动载试验 振动信号

中图分类号：F253.3 文献标识码：A文章编号：

1. 何时要进行桥梁荷载试验

桥梁荷载试验主要用于以下3种情况下：

（1） 桥梁验收时使用

首先设计建造桥梁时，会根据当地的车流量情况来确定所建桥梁的承载能力。桥梁建成验收时，需要进行荷载试验验证桥梁是否复合设计标准和使其次，需要根据桥用要求；梁荷载试验的结果分析桥梁的实际动、静力特性，为桥梁的维修养护提供依据。

（2） 旧桥鉴定时使用

一般当桥梁的病害检测和结构演算分析不能确定桥梁是否能够安全运行时，需要进一步进行荷载试验。通过荷载试验来验证结构演算结果，如果符合，则可以确定桥梁的安全情况；同时，荷载试验也为桥梁的维修加固提供了依据。

（3） 定期安全监测和养护时使用

为保证桥梁的安全性和可靠性，必须对现有桥梁进行定期的维护和保养，而荷载试验可以准确评估桥梁安全状况，为桥梁的加固和养护方法提供指导。

2. 传统的桥梁荷载试验及存在的问题

根据对桥梁加载形式的不同，桥梁荷载试验可以分为静荷载试验和动荷载试验。动载实验相对于静载实验要复杂的多，需要综合运用系统识别、微弱信号检测、相关分析、振动测试等技术，但是所得结果能够比静载测试更全面更准确的反应桥梁整体的工作性能和安全状况。经过长时间的实践探索，桥梁荷载试验技术已经得到很大的发展，试验方法也逐渐成熟并形成了相关的行业规范。

虽然荷载试验可以反应出桥梁的运行状况，及时发现桥梁存在的隐患，保障桥梁的安全使用，但是随着桥梁荷载试验的大量使用，荷载试验存在的问题与局限性也逐渐突出，主要包括以下几个方面：

（1）传统的荷载试验方法主要用于新建桥梁的验收，多以静载实验为主。对桥梁施加静载荷，通过将桥梁在静载荷作用下的应变与理论计算得到的应变相对比，来分析桥梁的设计是否合理，施工是否符合规范，质量是否达到要求。但是这种方法只适用于新建桥梁，而对于不能获取足够的信息的老桥不适用。

（2）传统的载荷试验需要很多专用加载设备，需要消耗大量的人力物力，成本很高。对于一些小型桥梁，很难承受这样的高成本测试。

3. 无需中断交通的桥梁试验

本文提出的无需中断交通的桥梁试验方法可以用于旧桥的检测。在现行的《公路旧桥承载能力的鉴定方法》中，旧桥的技术鉴定应包含3方面的内容：（1）桥梁的现状检测，（2）结构检算，（3）荷载试验。这三方面的内容是一个统一的整体，他们之间相互关联、相互补充、相互印证。在进行旧桥技术鉴定时，首先要对桥梁的现状进行检测，包括测绘桥梁的结构图纸，实际测量桥梁主要结构件的强度，测量桥梁主体结构的形变量，以及观察各个部件是否出现裂缝等损坏，综合分析以上因素，力求对桥梁的工作状况作出准确的推测。其次，要根据第一步检查测绘得到的结果进行建模分析及结构检算，计算出桥梁实际结构的极限抗力以及组合内力，以此判断出当前桥梁的实际承载能力。在传统的实验方法中，完成了以上两步后需要对桥梁进行静载荷载试验，并根据荷载试验的结果来调整前面检算的方法和参数，修正理论计算，以便得到尽可能准确的模型和参数，最终确定桥梁的承载能力和安全性能。

在旧桥的技术鉴定中，现状检测是基础和重点，结构检算是关键和核心，荷载试验只是对结构检算的验证。在该标准中，把荷载试验放在最后一步，是因为按照静载实验的要求，需要对桥梁施加结构检算算出来的桥梁可承受的最大载荷，以此来验证桥梁工作的可靠性和结构特性。对旧桥施加如此大的载荷无疑会增加试验的风险，因此必须在进行完第一步的现状检测和第二部的结构检算得出桥梁所能承受的极限载荷后才能进行。这样一来，增加了旧桥检测的成本，且仍旧很难降低检测风险，往往会造成对旧桥的保守评价。

本文提出的桥梁检测方法，无需中断交通，在桥梁正常通车的情况下，测量桥梁的载荷反应。这样做既没有附加风险，而且可以最真实的反应出桥梁正常工作时的情况。该方法利用随机通过的车辆作为对桥梁的激励源，采集桥梁结构在通过车辆激励下的振动信号，通过对受迫振动信号的分析得出桥梁的动力特性和动力响应特性，包括桥梁的固有频率、动应力、动位移、阻尼和动力系数等。通过将实验结果与结构检算结果的对比分析，可以保证结构检算结果的正确性，对桥梁的使用情况作出准确估计，而不需要进行风险很大的极限荷载测试。

如何分析桥梁的随机振动信号，已经有很多成熟的理论可供参考，应注意的是在对桥梁振动随机信号进行功率谱密度分析时，为了保证精度，应该按照下列步骤进行：

（1）首先要估计桥梁受迫振动的主频率范围，并设置上限截至频率 ，对振动信号进行滤波，去掉高于截止频率 的频率分量。

（2）确定分析带宽 。

（3）确定采样频率和采样间隔时间，根据香农定理，应保证采样频率 ，则采样时间间隔 。

（4）按照分析带宽来决定单个分析长度 ，应该满足 。

（5）对原始数据进行窗函数处理，一般可以选用Hanning窗或者高斯窗。

（6）计算单个分析长度内的样本容量 ，应该满足 。之后要用补零法对 圆整。

（7）确定要求的分析精度 ，通常 在20%~25%之间。

（8）确定平滑处理分段数q。q与分析要求的精度相关，满足 ，所以q一般在16~25之间。

（9）计算最小记录长度 ，满足 。

（10）通过傅里叶变换计算单边功率谱离散值 ，满足：

（11）对 进行窗函数处理，得到：

（12）对 进行补零修正，可以得到：

（13）对最终得到的 进行平滑处理，得到单边功率谱离散值的修正值 。

上述动力参数都是对桥梁实际工作状态的反应，对过分析这些动力参数可以对桥梁的刚度、强度分布有较为准确的评估。将分析结果与前面的桥梁现状检查以及结构检算相结合，在通过与同类桥梁同样实验结果的对比，就可以准确评估桥梁的安全状况，以及所发生的病害对桥梁安全性和结构强度的影响程度。从而修正结构检算的理论模型和参数设置，达到荷载试验同样的效果。

参考文献：

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[2]. 齐承涛, 基于荷载试验的桥梁可靠性评估, 2009, 长安大学.

[3]. 宋博琪等, 桥梁的静载与动载试验. 公路, 2002(9): 第26-29页.

[4]. 禹智涛与韩大建, 既有桥梁可靠性的综合评估方法. 中南公路工程, 2003(3): 第8-12页.