随着经济发展, 我国公路建设进入大发展阶段, 我国依靠自己的技术和力量, 建成了多座技术含量高、施工难度大的桥梁, 标志着我国已跻身于世界先进行列, 截至2018年, 我国公路总里程已达477万km, 高速公路总里程超过了14万km, 我国现有各类桥梁约80万座, 每年开工建设的桥梁约3万座。这些大量新建桥梁, 检验其施工质量最有效、最直接的办法是进行荷载试验。同时20世纪70年代以前修建的大量低标准桥梁已经达到或接近设计基准期, 在各种不利因素的长期影响下, 桥梁结构性能可能发生了变化, 有些桥梁已经出现不同程度的损伤, 其承载能力已大大降低甚至逐渐演变成危桥, 这些服役几十年的桥梁能否继续使用已成为管理决策部门关注的一件大事, 不断增加的交通荷载加剧了桥梁结构的负担, 众多桥梁亟待得到结构性能评定, 而桥梁荷载试验是评定桥梁结构性能的重要方法。

桥梁的挠度是桥梁安全状况评价的主要参数, 它直接反映桥梁结构的竖向整体刚度、承载能力和抵御地震等动荷载的能力, 从挠度动态数值分析中可以得出荷载的冲击系数和结构内力分布状态, 判断桥梁的薄弱部位及结构的整体性, 在桥梁鉴定、危桥改造和新桥验收等方面都需要准确测量桥梁的挠度值。中小跨径桥梁刚度大、荷载小, 活荷载作用下的挠度小, 所以对挠度测量的精度要求也高, 虽然工程技术人员对以上仪器和方法的特点大都有定性的认识, 但到目前为止, 对各种水准测量方法定量的误差分析还较少。因此本文通过分析各种挠度测量的优缺点, 并以北京市房山生产桥为例, 绘制不同方法测得挠度的各种关系曲线、估算其测量精度, 以此选择最经济、可靠的试验方法。

目前桥梁荷载试验中测量挠度的仪器主要分为机械式和光电式。机械式主要有百分表、千分表、挠度计等;电子式有电阻式位移计和应变式位移计;光学仪器主要是水准仪和全站仪。

1) 机械式仪表安装方便、测量精度高、对环境适应性强、工作直观可靠、可重复使用, 但灵敏度相对较低, 使用时需搭设支架, 不便于远距离操控, 并难以自动量测和记录。

2) 连通管法操作简单、数据可靠、无累积误差、受环境影响小、测量速度快, 可与自动化采集系统连接实现数据自动采集, 但精度较低且对测量人员的操作水平要求较高。

3) 电测位移计精度高、数据采集方便, 与自动化采集系统连接可实现自动采集, 采集时间短, 但桥下也需搭设支架, 具有一定的现场局限性。

4) 精密水准仪原理简单、精度较高, 不需要搭设支架, 但测试距离有限, 且对现场通视条件和观测者的业务水平要求较高。精密水准仪测量分为无基点水准法和有基点水准法, 前者在测量时不需要参考点, 效率较高。

5) 全站仪自动化程度高、测距远、测量时间短, 不需要搭设支架, 但是精度较低, 仅适用于大跨径桥梁。

北京市房山区生产桥桥梁全长96.06m, 宽6.2m。上部结构为3跨后张法预应力混凝土简支T梁, 跨径组合为25.0m+40.0m+25.0m, 单跨横向4片梁, 预制中梁宽1.6m, 边梁宽1.4m。基础为扩大基础, 桥台处采用GQF-C-60型伸缩缝, 全桥共2道;板式橡胶支座。

桥梁设计标准:譹) 汽车荷载:公路-II级;譺) 地震烈度为Ⅷ度, 地震峰值加速度为0.20g。

本次试验采用等精度观测, 保证同样技术的人员采用同等精度的仪器, 并在同等外界环境下观测, 最大限度保证测量条件一致性。

由于全站仪的测量精度较低, 对于中小跨径桥梁挠度测量一般不能满足精度要求, 本次采用精密水准仪和百分表2种方式对桥梁挠度进行观测, 其中水准观测包括无基点及有基点观测2种方法, 由于百分表测量精度较高, 把其测量值作为约定真值, 则可估算出2种水准测量的精度。

本次试验设置与梁底位移传感器位置一一对应的桥面水准观测点, 进行有基点和无基点水准观测法测量精度比较 (N1对应Q2、N2对应Q4、N3对应Q5、N4对应Q6) 。位移传感器布置在每片梁底的中心位置处;水准观测点布置在距离人行道边缘0.1m的桥面位置处, 每隔1.6m再布置3个测点, 并在梁端各布置1个测点进行支点沉降的修正, 测点布置如图1, 2所示。

由于百分表测量精度较高, 本次以百分表的测量值假定为真值, 选取控制截面挠度最大测点N1及对应位置处桥面测点Q2的测量数据进行对比, 估算出测量精度, 判断有基点观测和无基点观测2种方法的测量精度。由本次测量值分析, 无基点和有基点水准测量精度分别为±0.116mm和±0.168mm, 无基点水准测量精度约为有基点水准测量精度的2倍。挠度实测值和计算值如表1所示。

绘制实测挠度随试验荷载增长的线性关系曲线, 如图3所示。由图3可见, 3条测量挠度曲线随荷载增长的线性相关性较好, 其中无基点挠度测量结果与百分表测量值一致性更强。

同理假定百分表的测量值为真值, 估算沿横向各测点的测量精度, 再次验证2种水准测量方法的精度情况。采用无基点水准测量时, Q4点被加载车遮挡, 不满足通视条件, 无法测量。通过本次试验测量结果估算, 无基准点 (计算其余3个测点) 和有基准点的精度分别为0.104mm和0.195mm, 基本与跨中挠度随加载增长结果一致。数据如表2所示。

各测试方法的挠度横向分布趋势与计算值基本一致, 无基点水准测量较有基点水准测量与百分表测试结果更接近, 无基点水准测量精度更高, 但试验也明确反映出无水准测量对通视条件的要求高。各测试方法挠度沿横向分布如图4所示。

在桥梁跨径很小的情况下, 精密水准测量结果与百分表的测量结果比较吻合, 检测数据均呈一定的规律变换, 与理论计算挠度的变化趋势一致。本次无基点和有基点的水准测量值与约定真值 (百分表测量值) 的偏差均未超过±0.250mm, 无基点水准测量精度约为有基点水准测量精度的2倍。在有条件的情况下使用无基点水准测量可提高挠度测量精度。

中小跨径桥梁跨径小、刚度大、挠度小, 所以对仪器精度要求高。全站仪和一些自动化测试仪器虽然自动化程度高, 但精度很难达到要求, 在中小跨径桥梁挠度测量中不适用。百分表、挠度计等机械仪表精度高, 但环境稳定性较差, 需要搭设稳定支架, 并且不能自动传输数据, 但在测试时间充足且能搭设稳定支架的情况下, 采用机械仪表可较好地保证测量精度。电测位移计较机械仪表更稳定、可实现数据自动采集, 但仍需桥下搭设稳定的支架, 在条件允许的情况下, 可优先选用此方法。水准测量的精度虽然低于前述仪表, 但也能满足测量要求, 其中无基点测量法不需要静止参考点, 可大大提高测量效率, 而且测量精度也比有基点测量法高, 但要求通视条件好。各种挠度测量方法各有优缺点, 且有不同的适用条件, 因此在工程应用中, 需根据实际桥型特点综合考虑各种因素, 选用适合的网点布设和观测方法, 以达到事半功倍的效果。