摘要：目前，我国已经建成各种形式的公路桥梁60多万座，在运营过程中，一些桥梁由于交通量、荷载、环境作用与自然老化等原因，已经不能满足当前通行荷载的要求，需要通过荷载试验来判定其承载能力和使用性能（特别是对于原始资料不全的既有桥梁），并据此确定桥梁限载方案或加固改造方案。此外，荷载试验还可检验新建大型桥梁结构的设计和施工质量，为交竣工质量鉴定提供准确依据。
关键词：公路桥梁；静载试验；承载能力；检测评定
一、公路桥梁静力荷载试验的程序
通过梳理公路桥梁静载试验的流程，可将桥梁静载试验工作分为三个阶段，技术资料的收集、桥梁现状及现场环境检查、试验方案制定。
1.1技术资料的收集
桥梁技术资料包括竣工图纸、施工日志、监理记录、验收文件、既有试验检测资料、桥梁养护与维修记录、加固记录、环境因素的影响及其变化、现有交通量级、重载车辆的情况等方面。通过分析掌握的这些资料可以使我们全面了解试验对象的技术状况。
1.2桥梁现状及现场环境检查
桥梁现状检查是指按照有关规范的要求，对桥梁的缺损状况及病害情况进行全面、细致的检查评价。具体包括桥面铺装平整度、桥面排水情况、桥面纵横坡的检查；承重结构的混凝土强度、开裂情况及裂缝分布、有无露筋、钢筋锈蚀程度、混凝土碳化程度等情况的检查；橡胶支座是否老化、基础冲刷及病害情况等方面的检查。通过这些检查，我们可以对试验桥梁的现状做出宏观的判断，对试验对象的结构反应做到心中有数。在进行桥梁现状检査的同时，要观察并记录试验桥梁现场环境，为后续试验工作做准备。
1.3试验方案制定
试验方案设计是对整个试验全过程进行全面规划和系统安排，是桥梁静载试验的重要环节。试验方案的设计包括试验对象的选择、理论分析计算、测试仪器选择、测点布置、加卸载方案设计。
（如图1）
图1 静载试验程序
二、理论分析准确性的影响因素
桥梁荷载试验理论分析计算工作是根据桥梁的实际资料和有关数据，再参照原设计文件、施工文件及竣工文件，对桥梁结构进行设计荷载和试验荷载作用下的理论检算。该工作必须对实际结构加以模型化，通常对截面形式、约束条件、材料参数及荷载情况等在合理的条件下进行简化模拟，从而满足工程应用的需要，但也由此引入了一些误差。一般，影响桥梁荷载试验理论分析的准确性主要有以下因素。
2.1结构离散化
一般在应用有限元方法对桥梁进行理论分析时，必须先进行结构离散化。离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体来代替原来的结构。结构离散化通常要考虑两方面内容：
第一，选择合理的单元形式。选择合理的有限元单元，一般要考虑结构的几何特性和应力分布等因素。常见的有限元法单元有梁单元、壳单元和实体单元等，简单来说它们是从简单到复杂、整体到细部的关系。举个例子，对于一座普通的混凝土连续箱梁桥，采用梁单元模拟可以直接计算得到截面的内力和位移，如果要计算箱梁受非对称荷载作用时的局部应力则需要使用壳单元或实体单元，如果进一步要分析墩梁固结效应时，那只有建立实体单元模型了。
第二，单元划分的精细程度。在一定程度上，单元越小（网格越细）计算结果越精确。但是，更小的网格也会导致求解方程的数目剧增并降低精度，因而与使用这种方法的目的相矛盾。实际上，单元划分的“粗”和“细”是相对而言的，应根据经验和工程判断选择合适的单元尺寸，对于特殊情况可进一步加密划分，获得更合适的精度。通常，在几何尺寸、边界条件、荷载和材料特性剧烈改变的地方，需加密划分单元。
2.2约束条件模拟
桥梁结构的约束条件是指每个构件之间或构件与外界的连接关系。实际约束条件往往需要简化成为有限元法中理想的边界条件，使理论计算变得方便可行。比如，连接简支梁桥的上部结构与下部结构的橡胶支座，一般在理论计算中被简化为铰支座或滚轴支座，这种点接触与实际的面接触是有区别的。还有多跨简支梁桥的伸缩构造或桥面连续构造，使得桥梁的工作状况产生连续性，也在一定程度上改变了梁端的简支条件。由于以上这些约束条件往往能够提高实际承载力，对于工程设计人员来说对它们进行简化是一种偏于安全的做法。
2.3材料参数选取
一般，有限元分析结果最敏感的材料参数是弹性模量 E。而 E 通常是根据设计图纸的要求来取值的。但是如果出现以下两种情况则应考虑材料参数差异的影响：一是实际施工时材料参数与设计的差异较大；二是材料参数随时间变化发生较大改变,如：钢筋锈蚀、混凝土碳化、预应力筋疲劳等。
2.4非结构构件影响
在桥梁结构设计中，桥面铺装、防撞墙等非结构构件均作为主梁的外部荷载来计算，而不考虑它们对提高结构整体刚度的作用。如果桥面铺装采用钢筋混凝土，则铺装层实际上是参与主梁受力的。另外，许多试验证明，钢筋混凝土防撞墙能显著提高边梁的承载能力。
在结构理论分析中需要对实际结构进行简化模拟，对于设计这些简化都是偏于安全的，使得理论计算结果往往与实际情况有一定的偏差，而且导致荷载试验的观测数值一般都比计算值小，但也应该在合理的范围内。
三、现有公路桥梁承载能力检测评定标准体系的状况
3.1以往评定方法中的不足
随着桥梁工程技术的发展，《大跨径混凝土桥梁的试验方法》、《公路桥涵养护规范》、《公路旧桥承载能力鉴定办法》己经不能满足桥梁检测评定的需要，公路旧桥检测评定规范体系有待完善。以往桥梁结构承载能力评定方法中的不足：
（1）检算要点、检算方法等方面的规定过于原则；
（2）评定指标单一，可操作性差；
（3）检测结果的计算分析评定方法没有很好应用，还需借助荷载试验对旧桥加以鉴定；
（4）虽然荷载试验鉴定比较直观，但费用高，需交通管制；
（5）荷载试验不能反映结构的极限性能、疲劳性能；
（6）荷载试验不能反映桥梁结构在鉴定期内材料强度和结构响应的不确定性以及耐久性检测指标等因素对桥梁承载能力的影响。
3.2公路桥梁承载能力检测评定体系的发展趋势
《大跨径混凝土桥梁荷载试验的方法（1982版）》，由于发布时间较早一直没有更新版本，也不能满足当前荷载试验的需要。《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG／TH21－2011中规定＂作用效应与抗力效应的比值在1.0-1.2之间时，应根据本规程的有关规定通过荷载试验评定承载能力。＂但是《公路桥梁技术状况评定标准》对静载试验的介绍过于笼统，不具有可操作性。目前由长安大学主编的《公路桥梁荷载试验规程》还在征求意见阶段。根据公路桥梁建设发展趋势，以及桥梁养护量的增大，公路桥梁静载试验必将更广泛的应用。公路桥梁荷载试验工作有关标准规范体系将进一步完善，为公路桥梁承载能力评定提供必要的科学依据。
四、实例举证
结合以上理论知识，我们也曾对沿沈阳至海口国家高速公路原线途经雅瑶、共和、司前、址山到达佛开高速公路终点K80+800，与开阳高速公路水口立交相接，全长33.5km，招标范围路线总长27.505 km，进行了道路桥梁专项检测。
4.1 全路段桥梁普查
对全路段桥梁桥跨状况进行普查，并参照广东省交通集团检测中心出具的《2014年佛开桥涵定期检查报告》，以石步河大桥为基础，再选取两座代表性桥梁共计三座桥（除石步河大桥再另外分别选一座13m及16m的桥），选择具有代表性或最不利的桥跨进行桥梁承载力检测评定。
4.2 外观检查
对三座选定的桥梁进行详细的外观检查，检测内容主要包括上部结构、下部结构、桥面系等。
4.3 专项检测
通过外观检查结果得到每座桥每跨的技术状况，选取代表性桥跨（或者最不利桥跨），进行结构混凝土桥梁的几何形态参数检测（线形测量）、桥梁恒载变异状况调查、桥梁材质强度检测（回弹法）、碳化状况检测、钢筋锈蚀电位检测、氯离子含量检测等。
4.4 桥梁承载能力评定
在对桥梁进行外观状况检查的基础上，依据桥梁材质状况检测结果、结构固有模态参数测定等，引入检算系数Z1、折减系数、恶化系数和活载修正系数，并将其反映在结构抗力表达式中，然后借助桥梁结构施工图设计资料，通过结构检算分析，进行荷载效应与抗力效应的比较，对桥梁承载能力进行评定。
（1）桥梁承载能力评定：通过外观检查及专项检测的结果，对选定桥跨进行承载能力检测评定。
（2）加铺的4cm沥青混凝土铺装层后，桥梁承载能力检算：根据设计及委托单位要求，需对原线路桥梁荷载升级，桥梁改扩建后加铺的4cm沥青混凝土铺装层。采用不刨除原铺装层，而是直接加铺的4cm沥青混凝土铺装层，需对荷载升级后的桥梁承载能力进行检算。
（3）石步河大桥下部结构承载能力检算：通过对石步河大桥全桥下部结构的检查，选取代表性桥墩，进行下部结构承载能力检算，检算内容包含：盖梁跨中截面最大正弯矩承载能力，盖梁支点截面最大剪力承载能力；按新钻探岩土资料对桩基承载力进行验算。
结束语：
总之，通过对静力荷载试验全过程进行分析，可以全面梳理出影响荷载试验成功与否或试验结果准确性的因素，再根据各项影响因素的特点及规律，可采取相应的对策和方法，合理地避免或降低其对试验结果的影响。
参考文献：
[1]么玉亮．桥梁现场荷载试验．交通世界，2015.6
[2]谣润水，刘群安．公路桥梁荷载试验的作用与基本原理．公路交通科技，2016.2
[3]姬兵亮．既有钢筋混凝土梁桥试验检测研究．西安：长安大学，2014.11
[4]刘利军．梁桥静载试验结果评定分析．2014.2
[5]王利君．桥梁承载能力综合评定方法的应用．广东公路交通，2015.9
论文作者:宋冰菊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/10
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