低速非靜止加載與傳統加載荷載試驗對比分析

王振吉

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 概述

我國既有橋梁的設計使用壽命較長，為了有效驗證營運期橋梁的結構安全狀態，養護部門會組織開展大量工作，例如定期檢測、荷載試驗等[1]。橋梁荷載試驗是通過施加荷載對橋梁架構或構件的靜力、動力特性進行的現場試驗測試，通過試驗可直接測得理論分析與計算的相關參數，探索橋梁的受力行為[2]。橋梁荷載試驗主要包括靜載試驗和動載試驗兩個部分，靜載試驗主要是通過在上部結構典型受力部位或受力最不利部位進行應變(應力)、撓度測試，通過實測值與理論值進行對比分析，從而判定橋梁的實際工作狀態[3]。現行相關規范對荷載試驗的實施進行了明確規定[4-5]，例如試驗工況的選取，測試項目的選擇和加載的時間等，但絕大多數在役橋梁交通量較大，若嚴格按照規范規定的時間進行加載將會造成較大的社會影響，但荷載試驗又是評定在役橋梁承載內力的一種直觀且有效的方式[6-8]。因此，為了解決這種矛盾，在完成常規加載荷載試驗后，創新性地提出了車輛低速非靜止狀態的加載方案，并將此方案與傳統加載方案下的相同工況、相同測試截面的測試數據進行對比，發現兩者應變及撓度差值在2.5%～3.5%之間，可以在某些不具備條件的情況下進行車輛低速非靜止狀態加載的荷載試驗。

2 工程概況

某城市快速路于化工園走行線K9+425.6處上跨鐵路，跨徑布置為(9-30 m)+(3-40 m+1-27 m)+(8-30 m)，該橋全長663.06 m，橋面橫向布置為12.0 m+2×0.5 m防撞墻，交角為41°，上部結構采用先簡支后連續T梁，下部結構采用柱式墩、扶壁式臺、樁基礎，該橋于第9孔跨越化工園走行線鐵路橋。

汽車荷載等級：公路-Ⅰ級。設計洪水頻率：1/100。結構設計安全等級：一級。地震動峰值加速度：0.1g。

3 靜載試驗

3.1 試驗內容

試驗孔為第19孔～第21孔3×30 m預應力混凝土T梁，參考JTG/T J21-01—2015公路橋梁荷載試驗規程相關規定，并根據其受力特點確定測試工況：

工況一：第19跨跨中截面最大正彎矩及撓度，19號墩頂附近最大負彎矩。

工況二：第20跨跨中截面最大正彎矩。

本橋主要測試內容包括應變測試和撓度測試兩部分，并根據測試截面(如圖1所示)的受力特點布置應變測點和撓度測點。

3.2 橋梁加載方案理論計算

采用土木工程通用分析軟件Midas/Civil建立空間梁單元有限元模型。通過模型提取控制截面內力影響線，用于確定加載方案。

采用等效靜力原則將選定的試驗車輛加到橋跨上，算出試驗荷載作用下控制截面內力和荷載效率ηq，如圖2,圖3及表1所示。

表1 荷載效率表

3.3 測點布置

參考JTG/T J21-01—2015公路橋梁荷載試驗規程規定，撓度及應變測點布置應遵循如下原則。

3.3.1 遵循原則

1)撓度。a.撓度測點的布置應能反映結構的最大變位及其變化規律；b.主梁撓度的縱橋向測點宜布置在各工況荷載作用下變位曲線的峰值位置；c.撓度測點的橫向布置應充分反映橋梁橫向撓度分布特征。

2)應變。a.應變測點應根據測試截面及測試內容合理布置，并能反映橋梁結構的受力特征；b.單向應變測點布置應體現左右對稱、上下兼顧、重點突出的原則，并能充分反映截面的高度方向的應變分布特征。

3.3.2 撓度、應變測點具體布置

1)撓度測點布置。控制截面處橋面撓度采用百分表及SMTN-X多點動態視頻測量系統相結合進行測試。撓度測點布置于測試斷面處，測設方法為在T梁底板掛重錘，通過百分表進行讀數(如圖4，圖5所示)。

2)應變測點布置。采用JM3812橋梁結構靜態數據采集儀對橋梁應變進行采集。在上行第19孔最不利位置布置一個最大正彎矩工況測試斷面和一個最大負彎矩工況測試斷面，每個測試斷面橫截面均布置10個應變測點，編號中A1代表正彎矩試驗工況，B1代表負彎矩試驗工況(如圖6，圖7所示)。

3.4 加載車輛

3.4.1 車輛選用標準

本次荷載試驗選用三軸載重車進行加載，如圖8所示。按照高速公路車輛載重要求，控制加載車噸位為42 t左右，實際加載車輛車重、軸重、軸距(S1,S2)輪距(L1)等參數詳見表2。

3.4.2 加載車輛技術參數

實際加載車輛輪距、軸距、軸重等技術參數見表2。

表2 試驗車輛技術參數表

4 應變分析結果

分別給出工況一試驗荷載作用下第19孔正彎矩工況(見表3，圖9，圖10)、工況一試驗荷載作用下19號墩頂附近負彎矩工況(見表4，圖11，圖12)和工況二試驗荷載作用下第20孔正彎矩工況下應變的傳統加載方式的實測值和車輛非靜止狀態加載方式的實測值(見表5，圖13，圖14)，給出了兩者與理論值的比值。繪制了兩種加載方式的荷載-應變曲線。由于采集設備等原因，在進行車輛低速非靜態加載對比試驗時，僅對應變進行了對比分析，未對撓度進行對比分析。

表3 工況一荷載作用下第19孔A1-A1截面測點應變測試結果

表4 工況一荷載作用下第19孔B1-B1截面測點應變測試結果

表5 工況二荷載作用下第20孔A2-A2截面測點應變測試結果

續表

從圖表中可以看出，非靜止加載方式與傳統加載方式在各截面產生的應變效應差別較小，最大相差10%，滿足工程允許范圍，驗證了非靜止狀態加載方式的合理性。傳統加載方式應變校驗系數在0.65～0.75之間，非靜止狀態加載方式應變校驗系數在0.61～0.78之間，均符合相關規范要求。負彎矩區荷載-應變曲線線性關系不良，可能與負彎矩區特殊受力特性及該區域施工質量有關。

5 撓度分析結果

試驗過程中對跨中(或最不利位置)位置撓度進行了測試。撓度測試采用百分表進行測量。在各級試驗荷載作用下，各控制斷面測點撓度實測值與理論值，分析結果如表6，表7，圖15～圖18所示。

表6 工況一試驗荷載作用下第19孔跨中撓度實測值及理論值 mm

表7 工況二試驗荷載作用下第20孔跨中撓度實測值及理論值 mm

荷載試驗加載結果表明：在工況一試驗荷載作用下，第19孔T梁跨中撓度校驗系數介于0.68～0.69之間。第19孔T梁跨中相對殘余變形介于0.93%～17.56%之間。在工況二試驗荷載作用下，第20孔T梁跨中撓度校驗系數介于0.69～0.73之間。第20孔T梁跨中相對殘余變形介于2.95%～6.55%之間。邊梁及次邊梁荷載-撓度曲線基本處于線性狀態，說明該立交橋第19孔、第20孔T梁結構具有一定安全儲備，結構處于彈性工作狀態。

6 結論展望

荷載試驗是判斷結構承載能力的最直接有效的方式，傳統加載荷載試驗需要封閉道路，耗時較長，會造成較大的社會影響，本研究創新性地提出車輛非靜止狀態加載方式，結論顯示：非靜止加載方式與傳統加載方式在各截面產生的應變效應差別較小，最大相差10%，滿足工程允許范圍，驗證了非靜止狀態加載方式的合理性，為同類型項目提供了一定的思路。

本文只針對兩種不同加載方式的應變之間的差異進行分析，由于所選儀器設備的原因，未能對非靜止狀態加載的撓度數據進行采集，有待于做進一步研究。