静动力荷载试验技术在公路预制梁检测中的应用研究

张世明

中铁一局集团第五工程有限公司 陕西 宝鸡 721000

引言

目前国内各行业发展欣欣向荣，在为社会带来经济效益的同时，也带来了挑战，在交通运输方面显得尤为明显[1]。例如，物流行业的高速发展，为交通运输带来了巨大的压力。有些公路在多年服役过程中，受到来自车辆和自然因素的影响，路面和主体都存在不同程度的损坏，公路的承载力、刚度等指标下滑。加之一些地区对于公路的维修和养护工作不到位，导致很多公路段的交通都受到严重影响，需要进行翻修。对于翻修或新建的公路来讲，预制梁的检测都显得尤为重要。预制梁是在工厂中按照标准进行预制，之后运输至施工现场安装施工的梁[2]。作为公路中的重要结构之一，预制梁性能的优劣直接影响着公路重要指标是否符合投用标准。因此需要对预制梁进行检测，避免使用性能不符合标准的预制梁进行施工。静动力荷载试验技术包括两个方面，分别为静力荷载试验与动力荷载试验，能够比较全面地评估桥梁的性能。基于此，本文提出静动力荷载试验技术在公路预制梁检测中的应用，为公路预制梁的检测提供有效方法。

1 静动力荷载试验技术概述

静动力荷载试验技术可以分成静载试验和动载试验两个部分[3]。该试验的目的，是检测公路桥梁是否符合投用标准，承载力等重要指标是否满足标准要求。静力载荷试验是利用静止的荷载作用，模拟桥梁基础受静荷载的条件。综合检测是从多个角度、多个参数、从公路整体及各部分的性能入手，进行全面检测以发现问题的所在。动力荷载试验与静力荷载试验的测试方向存在区别，动力荷载试验中，引起公路桥梁产生振动的振源不是固定不变的，时间的改变也会引起振源的改变。例如不同时间内经过公路的车辆类型不同，振源也不同，所产生的振动存在差别[4]。在同一场景下，动力效应在通常情况下比静力效应更大，相应地，动力效应对桥梁的影响更大，桥梁会在较小的动力荷载作用下，出现内在结构较为严重的损坏，甚至发生垮塌等事故。

2 基于静动力荷载试验技术的公路预制梁检测

2.1 静力荷载效应计算

静力荷载试验主要是针对预制梁的变形与荷载之间的关系进行测试，在测试点上，受到静力荷载作用的预制梁结构，通常是利用控制截面的内力或者应变进行等效处理[5]。在预制梁静载试验时，采用开裂弯矩作为控制弯矩。第一种情况是内力等效，不考虑施工过程，以成桥状态为建模背景，铰缝、现浇层、护栏、铺装等二期恒载和车道荷载作用于预制梁结构上；第二种情况是应力等效，考虑施工过程，分别以预制状态和成桥状态为背景。在确定静力荷载试验中的荷载大小与加载位置时，试验效率如公式（1）所示。

公式（1）中，Sat表示：在试验荷载下，预制梁测试点的变位或内力计算值，S表示：在设计标准荷载下，预制梁测试点的变位或内力计算值，需要注意的是，二者在计算时，均不计冲击作用；µ表示：冲击系数。ηq值应大于等于0.95，小于等于1.05。

2.2 动力荷载参数调整

设定活载动力增大系数为1+µ，需利用公式（2）进行计算。

公式（2）中，Smax表示：在动荷载下，测试点位置预制梁结构挠度或应变的最大值；Smean表示：动荷载对应的静荷载下，测试点位置预制梁结构挠度或应变的最大值。通过动力荷载试验，可以获得大量预制梁结构中有关振动问题的各种振动值。为了方便后续利用实测数据进行分析评价，需要对振动模态进行预处理。归纳出各个变量与时间的关系函数，通常利用对数衰减率δ和阻尼比ζ来计算，按照振动基本理论，对数衰减率可以表示为：

由于预制梁结构是连续体，在分析绝大多数预制梁时，第一固有频率起到关键作用。结构振型的测量主要有两种方式：其一是安放传感器，如果信号传感器微弱，还需要加设功率相同的放大器；其二是只安放两个传感器，其中一个安放在支点部位，作为基准传感器，另外一个传感器在预制梁结构上依照要求任意移动，测得各个测点的振动曲线。

2.3 预制梁检测

试验前分别检查试验预制梁，并根据计算分析及现场条件选取测试点。正式试验前，做好准备工作，对各个测试点上的应变片等装置进行检查，保证电路联通，工作状态正常。汽车到达测试点后，车辆熄火停留至少五分钟，记录数据时应注意，当其稳定后进行。之后进行卸载，间隔超过十分钟，再进行重复加载。各工况均采用分级加载，每级稳定时间通常在五到十分钟左右，静力荷载持续时间，由变位达到稳定的时间来决定。对比预制梁实测得出的频率、模态数据与预计值，对其刚度进行判断，从而推定预制梁刚度情况。跳车试验采用荷载车辆以30km/h速度通过桥梁，通过动挠度数据进行分析，计算桥梁阻尼比，从而判断桥梁承载能力。

3 检测试验

（1）试验准备。根据试验方案，租用符合标准的试验车辆。在测试点上粘贴应变片，粘贴时应注意，需先将要粘贴的位置进行打磨找平，并确保没有灰尘存在，以免影响测试结果。选取同一批次的预制梁，将出厂标准值作为真值，进行检测试验。将本文提出的方法记作方法A，将文献[2]与[5]提出的方法分别记作方法B与方法C，选取预制梁应力与阻尼比的平均相对误差值作为评价指标。

（2）预制梁应力平均相对误差结果与分析。利用三种方法进行检测，对所得的应力检测结果进行计算后得到的平均相对误差对比结果如下描述。在1号测试点，方法A检测应力值的平均相对误差为5.34%，相比于方法B与方法C，误差平均值分别低了5.33、11.49；在3号测试点，三种方法应力值的检测误差最大，表明该点应力检测难度较大。此时方法A的测应力值的平均相对误差为-6.75%，相比于方法B与方法C，误差平均值分别低了7.01、10.64。从总体上看，方法A 应力检测误差值更小。

（3）预制梁阻尼比平均相对误差结果与分析。利用三种方法进行检测，对所得的阻尼比测结果进行计算后得到的数据如表1所示。

由表1可知，在2号测试点，方法A检测阻尼比值的平均相对误差为-3.97%，相比于方法B与方法C，误差平均值分别低了8.67、12.25；在1号测试点，三种方法阻尼比值的检测误差最大，表明该点阻尼比检测难度较大，此时方法A检测阻尼比值的平均相对误差为6.25%，相比于方法B与方法C，误差平均值分别低了8.08、10.79。从总体上看，方法A阻尼比检测误差值更小。

表1 三种检测方法阻尼比平均相对误差对比

4 结束语

本文针对公路预制梁检测中存在的问题，提出了基于静动力荷载试验技术的公路预制梁检测方法，提高了公路预制梁检测中应力与阻尼比检测的精度。今后将对公路预制梁检测做更深入的研究，以期为其发展提供基础依据。