葛洲坝集团试验检测有限公司 湖北省宜昌市 443000
摘要：不论是在桥梁的静态荷载试验还是动态荷载试验中，桥梁关键截面的挠度是一个必要的观测量，对评价桥梁的整体性能非常重要。在静载试验中，常用的挠度测量工具有经纬仪、水准仪、百分表等，但这些廉价、结构简单的测量方法存在费时费力、使用不便等不足，逐渐无法适应实际工程的要求。
关键词：桥梁；挠度；测量方法；应用
桥梁是交通运输网络的重要组成部分，确保桥梁结构的安全可靠性极其重要。在桥梁的众多参数中，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，在桥梁检定、危桥改造和新桥验收等方面都需要准确测量桥梁的静、动态挠度值。
一、国内外桥梁挠度测量研究的现状
目前，传统的桥梁挠度测量大多采用百分表测量法、悬锤测量法的方法，在桥下有水或没有固定点的情况下，往往采用标尺、经纬仪或用全站仪进行测量。
1.机械式测量法。百分表测量法是较为传统的测量方法。该方法的优点是设备简单，可以进行多点检测，直接得到各测点的挠度值，测量结果稳定可靠。但是该方法比较繁琐，一般需要在测点下面搭设架子，准备工作比较繁琐，耗时较长，有很大的现场应用局限性。悬锤法也是该方法中比较具有代表性的一种方法。该方法用于测量陆地上的桥梁挠度，测量值中包含有桥墩在荷载作用下的沉陷量，该类方法结果可靠，。
2.光学仪器测量法。早期的挠度测量光学仪器主要有水准仪。近年来出现的高精度水准仪和全站仪大大提高了光学仪器测量法的精度。（1）水准仪测量法。水准仪测量法原理简单，只需要将加载前后的数值相减即可。该方法测量精度高，结果可靠。但采用该方法测量需要对桥梁交通进行封闭，封闭时间较长，不能实现动态连续。近年来，高精度水准仪测量精度已高于±0.1mm。大多数桥梁的跨径都在1000m以内，利用水准测量方法，一般能达到±1mm以内的精度。（2）全站仪测量法。全站仪挠度测量基本原理是三角高程测量。设仪器距离地面高度为i；棱镜距离地面高度为L；视线与水平面的竖直角为；测站点P与照准点M之间的斜距S。考虑大气折光率K，地球曲率的影响(地球半径为R)。加载前测站点与测点相对高差h的计算式公式为：
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根据上式即可得加载后相对高差h′。
则挠度：
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此方法的误差主要来源于测角误差、测距误差和大气折光误差。在1km的测量范围内，全站仪的测量误差可以达到±3mm的精度，在一定程度上能达到桥梁挠度的测量精度要求。
二、工程案例
1.工程概况。某预应力连续刚构桥梁主跨96m+160m+96m，桥面为双向四车道，设计荷载按双向六车道设计，荷载等级为公路－Ⅰ级，设计时速为100km/h，设计基准期为100年，设计安全等级为一级。主梁采用C55混凝土。半幅桥宽12.75m，采用单箱单室箱形断面，其中箱宽6.5m，两侧翼缘板悬臂长3.125m。主梁根部梁高H根=9.0m，跨中及边跨端部梁高H中=3.5m，H根/L=1/17.78，H中/L=1/45.7，L为跨径。主梁梁高变化采用2次抛物线。主梁腹板厚度、底板厚度均由主梁根部渐变到跨中。主梁顶板厚除0#块外，其余等厚。主梁横坡由腹板高度调整，底板保持水平，顶板横向设置2%的横坡。主梁采用三向预应力体系，包括纵向预应力、横向预应力和竖向预应力。下部结构主墩采用双肢薄壁墩，墩身与水流近似正交。单个肢采用实心截面，纵桥向厚1.8m，横桥向宽与上部箱梁箱宽相同为6.5m。半幅桥主墩基础采用9根D180cm钻孔灌注桩，采用嵌岩桩设计。
2.静载试验对比。静载试验的目的主要是验证桥梁结构的实际性能是否满足设计要求，为保证试验结果具有代表性，根据外观检查结果，确定病害严重的桥孔作为试验桥孔。（1）加载工况。采用等效荷载模拟的方法进行加载，即模拟在设计汽车荷载作用下中跨跨中截面的最大正弯矩，参考设计的布载方式，汽车加载采用横向偏载的加载模式。经计算，需采用12辆重约300kN的车辆进行偏载加载，加载效率系数为0.96，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》的要求(0.8＜η≤1.0)。在加载前对桥梁进行预加载，每个工况分4级进行加载，1级卸载。（2）测量方法。现场挠度观测采用两种方法:连通管法和作为对比的水准仪法。水准仪法的测点布置:根据现场条件选择稳定、不发生沉降的后视作为挠度基准点，纵桥向在中跨按八分点布设观测点，边跨按桥墩至试验断面距离对称布设，横桥向在内侧及外侧各布设一个测点，共布设34个挠度观测点。（3）试验结果。两种方法在内侧测点第四加载步的结果对比如图1所示，其它工况结果与之类似。
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图1静载试验对比
从图中可以看出，两种方法在测点重合处的测量结果十分接近。考虑到连通管法在现场读数的速度优势，在荷载试验工况众多，或者桥梁跨度很大的情况下，连通管法将会节省大量的现场测量时间，使整个加载过程准确高效地完成。
3. 动载试验对比。动载试验是研究桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性，这些特性参数是判断桥梁结构营运状况和整体刚度的重要指标。（1）加载工况。本次动载试验包括无障碍行车试验和有障碍行车试验。无障碍行车试验在桥面无任何障碍的情况下，采用2台约400kN载重汽车并排以约10km/h至40km/h的速度(以每10km/h为增量)跑过主桥，以测试结构在行车载荷作用下的动力反应。有障碍行车试验采用5cm弓形板作为障碍物，以模拟桥面的不平整状态，其加载过程与无障碍行车试验相同。（2）测量方法。现场挠度观测采用两种方法:连通管法和作为对比的激光挠度仪法。连通管法的测点布置:在边跨桥墩处设置一个水箱作为测量基准，沿桥梁梁体铺设连通管道，在中跨跨中处安装压力变送器进行测量。激光挠度仪法的测点布置:与连通管法测点相对应，在中跨跨中部位布设激光挠度仪，进行动态挠度的对比测量。(3)试验结果。两种方法在无障碍跑车试验10km/h车速下的结果对比如图2所示，其它工况结果与之类似。
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图2连通管法动态挠度监测效果
从图中可以看出，两种方法的总体趋势十分接近，但车桥耦合振动的挠度分量差距较大。通过频谱分析发现，两种方法得到的动态挠度频率成分是基本一致的，差别在于相同频率成分的信号幅值。总之，应用挠度仪进行中小跨径桥梁荷载试验挠度测量时，可有效简化测点布线程序，节约试验时间，大大提高了荷载试验效率，应用前景较为广泛。
参考文献
[1]范雷.桥梁静动载荷载试验研究.2018.
[2]杨超.浅谈挠度仪在桥梁荷载试验中的应用.2019.