中小跨徑橋梁荷載試驗定點常荷載加載方式研究

杜海鑫

(1.遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166； 2.公路橋梁診治技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心 沈陽市 110111)

0 引言

近些年遼寧省乃至全國的公路建設取得了輝煌的成就[1-2]。截止2016年底，遼寧省公路橋梁達45532座、1882939延米。其中特大橋梁97座、179939延米，大橋3072座、729665延米，中橋7681座、452132延米，小橋34682座、521202延米。中小跨徑橋梁座數(shù)占總數(shù)的93.0%，數(shù)量巨大。在加快公路建設的同時，對既有橋梁的承載能力進行科學評定，提高橋梁使用效率、減少安全事故發(fā)生具有十分重要的意義。

目前，在評定橋梁承載力時，荷載試驗法是最有說服力的[3-5]，該方法結果可靠，能反映橋梁的實際狀態(tài)，但傳統(tǒng)荷載試驗方法需要動用大量的人力、物力，耗費較多的時間和經費，這對于在役橋梁的檢測，特別是數(shù)量較多的中小跨徑橋梁，是難以接受的，而且傳統(tǒng)荷載試驗需長時間封閉交通，對無法長時間中斷交通運行的橋梁，很難進行傳統(tǒng)荷載試驗。因此，如何提高荷載試驗效率，減少交通封閉時間，是橋梁荷載試驗中重點的研究方向。

1 定點常荷載加載方式的提出

1.1 常規(guī)荷載試驗加載方式

荷載試驗加載一般要求采用分級加載的方式，其目的是為了掌握不同等級荷載作用下，橋梁結構構件內力和位移變化規(guī)律，同時避免試驗加載可能引起的橋梁結構永久性損傷，以確保橋梁結構安全。常規(guī)荷載試驗分級加載如圖1所示，根據分級數(shù)量不同，逐級進行加載，一般通過調整車輛配重或配置不同數(shù)量的載重車，來實現(xiàn)逐級增大荷載的目的。而這一過程尤為耗時，特別是對車輛進行配重時，涉及重物的裝載、卸載、稱重等過程，大大增加了荷載試驗的時間、人力、物力成本。

圖1 常規(guī)荷載試驗分級加載流程

1.2 定點常荷載加載方式總體思路

為解決常規(guī)荷載試驗加載方式(簡稱常規(guī)法)存在的問題，提出了定點常荷載加載方式(簡稱定點法)，即在選定橋梁1/8L(或3/8L)、1/4L和1/2L(或測試斷面)三個固定點位分別施加相同量值荷載，在無需調整汽車荷載重量和加載車輛數(shù)量的前提下，實現(xiàn)測試截面分級加載的目的，同時獲取更多橋梁關鍵截面內力和位移變化規(guī)律。

該加載方式可以省去以往荷載試驗分級加載過程中車輛裝載、卸載、稱重等過程，縮減了荷載試驗周期，也無需增加加載車數(shù)量，節(jié)約試驗成本。見圖2。

圖2 定點常荷載加載方式分級加載流程

2 工程實例驗證

2.1 工程概況

橋梁建于2014年，全長81.0m，跨徑布置為3×25m；橋面凈寬為12.0m，兩側設置0.5m寬的防撞墻；交角為83°；上部結構為先簡支后連續(xù)箱梁，每孔4片箱梁組成，箱梁高度為1.4m，邊、中梁底板寬均為1m，采用混凝土強度為C50；設計荷載等級為公路-Ⅰ級。

選取0#橋臺側邊跨最大正彎矩截面進行常規(guī)法與定點法加載方式的對比試驗，截面位置如圖3所示。

2.2 常規(guī)荷載試驗加載方案設計

試驗采用3輛三軸車對該橋1#箱梁側進行偏載加載，共分為三級，每級荷載布置1輛加載汽車，加載車輛橫向、縱向布置方式如圖4(a)所示。應變和撓度測點分別布置每片梁加載斷面的梁底，如圖4(b)所示。

圖3 控制斷面示意圖

2.3 定點常荷載試驗加載方案設計

定點常荷載加載方法通過在橋跨1/4L、3/8L和試驗測試斷面3個點位分別施加相同量值荷載的方式，實現(xiàn)測試截面的分級加載，即荷載試驗過程中，加載車數(shù)量及車重不變，通過改變車輛在橋上的位置實現(xiàn)測試斷面的分級加載的效果。各加載點位加載車輛橫、縱向布置方式分別如圖5所示。對于控制單梁(1#梁)、試驗截面、采用加載車輛及測點布置方式均與常規(guī)法一致。

圖4 常規(guī)法加載與測點布置示意圖

圖5 定點法加載方式示意圖

2.4 試驗結果對比分析

按照實際加載車輛軸重、軸距等參數(shù)計算得到1#箱梁邊跨最大正彎矩截面在各級荷載或各點位加載下的試驗彎矩及荷載效率系數(shù)，如表1所示。

表1 常規(guī)法和定點法實際加載效率

如圖6和圖7所示，分別給出了1#梁和2#梁在常規(guī)法和定點法兩種不同加載方式下的荷載-撓度曲線與荷載-應變曲線。從圖中可以看出，兩種加載方式下關鍵測點的撓度和應變變化規(guī)律一致，且均小于相應的理論值，特別是荷載-撓度曲線在不同加載方式下基本重合，說明兩種加載方式在反映結構受力性能上基本相同。

從表2中撓度校驗系數(shù)、應變校驗系數(shù)的對比可以看出，常規(guī)法和定點法兩種加載方式橋梁的校驗系數(shù)均小于1，說明結構處于彈性階段，同時也說明兩種加載方式反映的結構狀態(tài)較為一致。

(a)

(b)圖6 荷載-撓度曲線

(a)

(b)圖7 荷載-應變曲線

表2 常規(guī)法和定點法校驗系數(shù)

綜上所述，無論是從橋梁的撓度、應變變化規(guī)律，還是校驗系數(shù)對比，定點法與常規(guī)法測試結果吻合較好，兩種方法反映的數(shù)據變化規(guī)律相同，反映出的橋梁結構受力性能較為一致，這也進一步說明了定點法的準確性。

3 應用前景

定點常荷載加載方式簡化了試驗實施過程，減少了對現(xiàn)場操作人員的技術要求，更重要的是降低分級加載對交通封閉時間和加載車輛數(shù)量的要求。如表3對比了常規(guī)法和定點法現(xiàn)場試驗耗費的時間，常規(guī)荷載試驗總耗時為52min，平均每級加載時長為14min；定點常荷載試驗總耗時為33min，平均各點位加載時長為8min，定點法較常規(guī)法節(jié)約37%的時間。若是考慮分級卸載以及車輛裝載等時間，定點法可以更加大幅度提升荷載試驗現(xiàn)場的加載效率。

需要特別說明的是，在應用定點常荷載加載方式時需要注意以下問題：

表3 常規(guī)法和定點法耗時對比

注：1.一級和點位加載耗時中，包含預加載所有時間；

2.由于封路時間限制，本次常規(guī)試驗并未進行逐級卸載

(1)荷載試驗前期，要著重分析不同位置加載時支點剪力能否滿足規(guī)范要求，以確保試驗安全；

(2)試驗過程中，特別是一級加載時，宜逐輛將車輛布置到加載位置，盡量避免一次性布滿全部車輛，并時刻注意關鍵測點撓度、應變變化趨勢，發(fā)現(xiàn)問題及時停止試驗；

(3)試驗數(shù)據處理時，繪制荷載-撓度或荷載-應變曲線要注意換算控制斷面分級荷載，或者按照截面加載效率繪制曲線。

綜上所述，定點常荷載試驗方法在確保試驗結果準確的基礎上，簡化了試驗程序，節(jié)約了試驗時間，大大提高了荷載試驗效率，可應用于中小跨徑橋梁荷載試驗當中。

4 結論

針對常規(guī)荷載試驗加載方式存在的問題，提出了定點常荷載加載方式，并通過工程實例驗證與總結，得到以下結論：

(1)定點法與常規(guī)法試驗結果吻合較好，反映的撓度、應變、校驗系數(shù)等數(shù)據變化規(guī)律一致，驗證了定點法的準確性。

(2)對比兩種方法的試驗耗時，定點法較常規(guī)法節(jié)約37%的時間，這說明了定點法可以大幅度提升荷載試驗現(xiàn)場的加載效率。

(3)在應用定點法時，要充分考慮剪力的影響，加載過程中控制車輛加載順序，保證試驗安全。

綜上，定點常荷載試驗方法在確保試驗結果準確的基礎上，簡化了試驗程序，節(jié)約了試驗時間，大大提高了荷載試驗效率，在中小跨徑橋梁荷載試驗中有較為廣泛的應用前景。同時，該加載方式也為橋梁荷載試驗加載提供了新的思路。