高 峰，馬樹林

(中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，一大批現(xiàn)代化的大型或特大型橋梁如雨后春筍般出現(xiàn)。大量橋梁的建成極大的方便了人們的出行，同時(shí)，一些質(zhì)量較差的大橋所造成的交通安全隱患直接威脅著人們的生命安全。近年來，全國多地發(fā)生新建大橋坍塌事故，大型橋梁 “非正常死亡”現(xiàn)象愈演愈烈，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2007～2011年5年間，全國已經(jīng)有至少17座大型橋梁發(fā)生垮塌事故，造成270人死亡、111人受傷、23人失蹤，其直接或間接經(jīng)濟(jì)損更是無法估量。橋梁建筑的質(zhì)量是絕對(duì)不能輕視的，除了在橋梁勘測(cè)設(shè)計(jì)階段和施工階段進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)和監(jiān)督。更需要嚴(yán)格按照國家橋梁建設(shè)相關(guān)規(guī)范要求，在橋梁通車鑒定中、運(yùn)營過程中對(duì)橋梁各項(xiàng)相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，尤其應(yīng)提高對(duì)大型特大型橋梁長期監(jiān)測(cè)能力，隨時(shí)實(shí)時(shí)掌握其運(yùn)營狀態(tài)和健康狀況。

橋梁撓度測(cè)量是橋梁檢測(cè)的重要組成部分[1、2]，因?yàn)闃蛄旱膿隙扰c橋梁的承載能力及響應(yīng)動(dòng)荷載的能力有密切的關(guān)系。橋梁撓度是橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)內(nèi)容的一個(gè)非常重要的參數(shù)，通過荷載試驗(yàn)獲得的撓度數(shù)據(jù)能夠分析得出荷載的沖擊系數(shù)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，可以直接判斷橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度和薄弱部位，因此在橋梁通車鑒定、定期檢定、維修維護(hù)和長期監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)中橋梁的撓度都是重要的參考資料與依據(jù)。撓度測(cè)量是橋梁測(cè)試的一個(gè)重點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn),目前主要采用拉線式或激光式位移計(jì)和全站儀等進(jìn)行間接測(cè)量，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都存在著很大的局限性，因此撓度檢測(cè)主要在橋梁通車鑒定和定期檢定過程中進(jìn)行，而在橋梁長期監(jiān)測(cè)中還無法實(shí)現(xiàn)。利用傾角儀及其檢測(cè)技術(shù)測(cè)量大型結(jié)構(gòu)的撓度變化這項(xiàng)技術(shù)是中國地震局工程力學(xué)研究所研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，已經(jīng)在十幾個(gè)實(shí)際工程中得到了應(yīng)用和推廣。

本次實(shí)驗(yàn)是運(yùn)用QY型傾角儀對(duì)橋梁進(jìn)行靜力荷載實(shí)驗(yàn)，取得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以評(píng)估橋梁承載能力、工作性能及安全性，為以后橋梁安全檢查或必要的加固維修提供可靠的原始資料[3、4]。

1 QY型傾角儀工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 QY型傾角儀原理

荷載試驗(yàn)過程中需獲得三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：在加載前應(yīng)先測(cè)量傾角儀的輸出電壓V01；在加載穩(wěn)定后，傾角儀的輸出電壓V02；在卸載穩(wěn)定后傾角儀的輸出電壓V03。當(dāng) V01≈V03時(shí)，可得傾角為：

由傾角數(shù)據(jù)計(jì)算撓度時(shí)，要將測(cè)得傾角數(shù)據(jù)（′）換算為徑。1′=2.909×10-4徑。

整個(gè)荷載試驗(yàn)通過采用智能橋梁撓度測(cè)試儀自動(dòng)完成，當(dāng)采集到橋梁各測(cè)點(diǎn)的傾角數(shù)據(jù)后，分析軟件計(jì)算并給出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度及其橋梁撓度曲線。

本儀器具有精度高、使用方便、快捷、對(duì)環(huán)境條件要求不高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

1.2 QY型傾角儀主要技術(shù)指標(biāo)

靈敏度： 60′

最大量程：10'

漂移： 30 min≤0.2 s

電源： ±12VDC

使用環(huán)境： 0～50℃；濕度≤85%

尺寸： 210×120×100 mm

重量： 3.5 kg

2 試驗(yàn)荷載及檢測(cè)項(xiàng)目

新建工農(nóng)兵橋位于哈爾濱市道外區(qū)，跨越阿什河，采用三跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁跨徑布置為3×40 m，全長119.92 m，最大縱坡為0.3%。橋梁全寬為32 m，橋面橫向布置：3.5 m（人行道）+25 m（行車道）+3.5 m（人行道），橋面雙向橫坡為1.5%，每孔12片梁，梁高為2 m，中梁寬為2.4 m，邊梁寬為2.85 m，頂?shù)装搴駷?8 cm，兩側(cè)腹板厚20 cm，跨中設(shè)置一道橫隔板，厚度為20 cm，梁間采用濕接縫連接，橋兩側(cè)與現(xiàn)狀水泥路順接。

新建工農(nóng)兵橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）設(shè)計(jì)荷載：道路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)城-A級(jí)。

（2）設(shè)計(jì)車速50 km/h。

（3）地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，不進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

為保證橋梁建設(shè)的安全，哈爾濱市工農(nóng)兵大橋工程建設(shè)指揮部委托中國地震局工程力學(xué)研究所對(duì)主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定性質(zhì)的竣工試驗(yàn)。以檢驗(yàn)橋梁主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量，評(píng)估橋梁承載能力、工作性能及安全性，并為今后橋梁安全檢查或必要的加固維修提供可靠的參考資料。

試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括：靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)定等三部分。本文只介紹靜載試驗(yàn)部分。

3 靜載試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)工況。分別在邊跨和中跨順橋向進(jìn)行各5種，除跨中2車偏載外，其余皆采用6車對(duì)稱加載，分別布置10.5 m、15.25 m、20 m、29.5 m處，共十個(gè)工況。本文選工況2中跨6車對(duì)稱加載分析 (橋梁中跨兩端支座產(chǎn)生最大彎矩)。

（2）測(cè)點(diǎn)布置。傾角儀順橋梁中跨軸向均勻布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，即兩端支座各一點(diǎn)，跨中一點(diǎn)，測(cè)量四分之一跨各一點(diǎn)。

（3）試驗(yàn)分析原理。根據(jù)結(jié)構(gòu)理論，梁的撓度是傾角函數(shù)的積分關(guān)系；梁的彎矩則與傾角函數(shù)的一次微分成正比；剪力又是彎矩的一次微分關(guān)系，若準(zhǔn)確地測(cè)得梁的傾角函數(shù)便可獲得撓度及內(nèi)力的分布。

將試驗(yàn)重車沿橋軸向按預(yù)定載位對(duì)稱布設(shè)，進(jìn)行多次加載和卸載過程，橋面系假定為全截面均勻受力，利用沿橋梁軸向設(shè)置的傾角儀和智能橋梁撓度測(cè)試儀[6]，準(zhǔn)確地檢測(cè)軸對(duì)稱布設(shè)的荷載在橋面不同位置上，橋梁傾角和撓度的變化規(guī)律，以獲取橋梁所受的實(shí)際內(nèi)力，用以檢驗(yàn)橋梁的受力狀態(tài)及工作性能。測(cè)試系統(tǒng)、布點(diǎn)及儀器參見圖1、圖2、圖3。

4 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)——順橋向中跨靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 測(cè)試儀框圖Fig.1 Diagram of tester

圖2 布點(diǎn)加載圖Fig.2 Diagram of point loading

圖3 傾角儀順橋梁軸向布點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of distribution of inclinometer along bridge axial schematic layout

傾角儀布置：兩端支點(diǎn)處距離梁端半米，在38 m等距離布設(shè)，下面所涉及距離以橋梁西側(cè)端為原點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)盡量沿橋梁平行軸向直線布設(shè)，試驗(yàn)加載前對(duì)傾角儀進(jìn)行調(diào)零，加載與卸載后要求橋梁穩(wěn)定后再進(jìn)行同步采集。工況2：跨中（20m）六車對(duì)稱加載。

表1 試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)值Table 1 Measured values of experiment

5 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4所示為在工況2荷載作用下，根據(jù)傾角儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的橋梁撓度曲線。表4列出了控制點(diǎn)的平均實(shí)測(cè)傾角值和計(jì)算撓度值。

圖4 計(jì)算撓度曲線Fig.4 Computation of deflection curve

表2 觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)傾角值和計(jì)算撓度值Table 2 The measured inclination value and calculated deflection of observation point

除了表中所列檢測(cè)項(xiàng)目外，針對(duì)某些工況，給出卸載以后的撓度殘余變形計(jì)算。在橋梁荷載試驗(yàn)過程中必然帶來結(jié)構(gòu)存在一定的殘余變形，而相對(duì)殘余變形是考察結(jié)構(gòu)彈性回復(fù)能力的主要指標(biāo)，橋梁設(shè)計(jì)要求需要控制相對(duì)殘余變形在小于20%以內(nèi)。撓度相對(duì)殘余變形計(jì)算由下式：

式中，SP表示卸載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)檢測(cè)點(diǎn)的殘余變形測(cè)量值；St表示加載穩(wěn)定時(shí)相應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的變形測(cè)量值。所測(cè)梁段的殘余變形很小。相對(duì)殘余變形都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20%，證明該橋具有良好的彈性回復(fù)能力。

6 結(jié)論

本文研究將傾角儀布設(shè)在橋面上的橋梁撓度測(cè)試方法，直接測(cè)量得到橋梁真實(shí)撓度變化，無須考慮支座處沉降和復(fù)雜的支架設(shè)施，極大地降低了試驗(yàn)成本和縮短了測(cè)試時(shí)間。

通過試驗(yàn)所測(cè)橋梁在實(shí)驗(yàn)荷載不利情況下，最大撓度為工況2的4.557 mm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)荷載的撓度數(shù)值推測(cè)，在設(shè)計(jì)荷載不利的情形下，跨中撓度也遠(yuǎn)小于交通部頒發(fā)的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》之規(guī)定，滿足行車安全需要。表明橋梁具有充分的剛度儲(chǔ)備。通過對(duì)橋梁的內(nèi)力分析表明，橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

通過對(duì)橋梁橫截面方向撓度曲線分析，在實(shí)驗(yàn)荷載作用下，撓度沿橋截面的變化很小，表明所測(cè)梁的穩(wěn)定性很好。加載卸載后所測(cè)梁段相對(duì)殘余變形很小，表明所測(cè)梁段彈性回復(fù)能力良好。

通過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本研究從試驗(yàn)方法和測(cè)試技術(shù)方面完全滿足橋梁撓度測(cè)試的試驗(yàn)要求，更進(jìn)一步的工作是多種測(cè)量手段的對(duì)比精度測(cè)試。

[1]楊學(xué)山，侯學(xué)民，廖振鵬.橋梁撓度測(cè)量的一種新方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2002，35(2)：92～96

[2]侯學(xué)民，楊學(xué)山，廖振鵬.實(shí)時(shí)測(cè)量橋梁撓度[J].地震工程與工程振動(dòng).2002，22(1)：67-72

[3]侯學(xué)民，楊學(xué)山，黃僑.利用傾角儀測(cè)量橋梁的撓度[J].橋梁建設(shè).2004，(2)：69-72

[4]楊學(xué)山，侯興民，馬樹林，等.陶賴昭松花江大橋撓度測(cè)量分析[J].地震工程與工程振動(dòng)，2003，23(2)：77-80

[5]楊學(xué)山，工程振動(dòng)測(cè)量儀器和測(cè)試技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，2001.

[6]高峰，王雷，可變電容式傾角儀低溫性能的實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，2：31-33.