中小跨径桥梁荷载试验定点常荷载加载方式研究

杜海鑫

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166； 2.公路桥梁诊治技术交通运输行业研发中心 沈阳市 110111)

0 引言

近些年辽宁省乃至全国的公路建设取得了辉煌的成就[1-2]。截止2016年底，辽宁省公路桥梁达45532座、1882939延米。其中特大桥梁97座、179939延米，大桥3072座、729665延米，中桥7681座、452132延米，小桥34682座、521202延米。中小跨径桥梁座数占总数的93.0%，数量巨大。在加快公路建设的同时，对既有桥梁的承载能力进行科学评定，提高桥梁使用效率、减少安全事故发生具有十分重要的意义。

目前，在评定桥梁承载力时，荷载试验法是最有说服力的[3-5]，该方法结果可靠，能反映桥梁的实际状态，但传统荷载试验方法需要动用大量的人力、物力，耗费较多的时间和经费，这对于在役桥梁的检测，特别是数量较多的中小跨径桥梁，是难以接受的，而且传统荷载试验需长时间封闭交通，对无法长时间中断交通运行的桥梁，很难进行传统荷载试验。因此，如何提高荷载试验效率，减少交通封闭时间，是桥梁荷载试验中重点的研究方向。

1 定点常荷载加载方式的提出

1.1 常规荷载试验加载方式

荷载试验加载一般要求采用分级加载的方式，其目的是为了掌握不同等级荷载作用下，桥梁结构构件内力和位移变化规律，同时避免试验加载可能引起的桥梁结构永久性损伤，以确保桥梁结构安全。常规荷载试验分级加载如图1所示，根据分级数量不同，逐级进行加载，一般通过调整车辆配重或配置不同数量的载重车，来实现逐级增大荷载的目的。而这一过程尤为耗时，特别是对车辆进行配重时，涉及重物的装载、卸载、称重等过程，大大增加了荷载试验的时间、人力、物力成本。

图1 常规荷载试验分级加载流程

1.2 定点常荷载加载方式总体思路

为解决常规荷载试验加载方式(简称常规法)存在的问题，提出了定点常荷载加载方式(简称定点法)，即在选定桥梁1/8L(或3/8L)、1/4L和1/2L(或测试断面)三个固定点位分别施加相同量值荷载，在无需调整汽车荷载重量和加载车辆数量的前提下，实现测试截面分级加载的目的，同时获取更多桥梁关键截面内力和位移变化规律。

该加载方式可以省去以往荷载试验分级加载过程中车辆装载、卸载、称重等过程，缩减了荷载试验周期，也无需增加加载车数量，节约试验成本。见图2。

图2 定点常荷载加载方式分级加载流程

2 工程实例验证

2.1 工程概况

桥梁建于2014年，全长81.0m，跨径布置为3×25m；桥面净宽为12.0m，两侧设置0.5m宽的防撞墙；交角为83°；上部结构为先简支后连续箱梁，每孔4片箱梁组成，箱梁高度为1.4m，边、中梁底板宽均为1m，采用混凝土强度为C50；设计荷载等级为公路-Ⅰ级。

选取0#桥台侧边跨最大正弯矩截面进行常规法与定点法加载方式的对比试验，截面位置如图3所示。

2.2 常规荷载试验加载方案设计

试验采用3辆三轴车对该桥1#箱梁侧进行偏载加载，共分为三级，每级荷载布置1辆加载汽车，加载车辆横向、纵向布置方式如图4(a)所示。应变和挠度测点分别布置每片梁加载断面的梁底，如图4(b)所示。

图3 控制断面示意图

2.3 定点常荷载试验加载方案设计

定点常荷载加载方法通过在桥跨1/4L、3/8L和试验测试断面3个点位分别施加相同量值荷载的方式，实现测试截面的分级加载，即荷载试验过程中，加载车数量及车重不变，通过改变车辆在桥上的位置实现测试断面的分级加载的效果。各加载点位加载车辆横、纵向布置方式分别如图5所示。对于控制单梁(1#梁)、试验截面、采用加载车辆及测点布置方式均与常规法一致。

图4 常规法加载与测点布置示意图

图5 定点法加载方式示意图

2.4 试验结果对比分析

按照实际加载车辆轴重、轴距等参数计算得到1#箱梁边跨最大正弯矩截面在各级荷载或各点位加载下的试验弯矩及荷载效率系数，如表1所示。

表1 常规法和定点法实际加载效率

如图6和图7所示，分别给出了1#梁和2#梁在常规法和定点法两种不同加载方式下的荷载-挠度曲线与荷载-应变曲线。从图中可以看出，两种加载方式下关键测点的挠度和应变变化规律一致，且均小于相应的理论值，特别是荷载-挠度曲线在不同加载方式下基本重合，说明两种加载方式在反映结构受力性能上基本相同。

从表2中挠度校验系数、应变校验系数的对比可以看出，常规法和定点法两种加载方式桥梁的校验系数均小于1，说明结构处于弹性阶段，同时也说明两种加载方式反映的结构状态较为一致。

(a)

(b)图6 荷载-挠度曲线

(a)

(b)图7 荷载-应变曲线

表2 常规法和定点法校验系数

综上所述，无论是从桥梁的挠度、应变变化规律，还是校验系数对比，定点法与常规法测试结果吻合较好，两种方法反映的数据变化规律相同，反映出的桥梁结构受力性能较为一致，这也进一步说明了定点法的准确性。

3 应用前景

定点常荷载加载方式简化了试验实施过程，减少了对现场操作人员的技术要求，更重要的是降低分级加载对交通封闭时间和加载车辆数量的要求。如表3对比了常规法和定点法现场试验耗费的时间，常规荷载试验总耗时为52min，平均每级加载时长为14min；定点常荷载试验总耗时为33min，平均各点位加载时长为8min，定点法较常规法节约37%的时间。若是考虑分级卸载以及车辆装载等时间，定点法可以更加大幅度提升荷载试验现场的加载效率。

需要特别说明的是，在应用定点常荷载加载方式时需要注意以下问题：

表3 常规法和定点法耗时对比

注：1.一级和点位加载耗时中，包含预加载所有时间；

2.由于封路时间限制，本次常规试验并未进行逐级卸载

(1)荷载试验前期，要着重分析不同位置加载时支点剪力能否满足规范要求，以确保试验安全；

(2)试验过程中，特别是一级加载时，宜逐辆将车辆布置到加载位置，尽量避免一次性布满全部车辆，并时刻注意关键测点挠度、应变变化趋势，发现问题及时停止试验；

(3)试验数据处理时，绘制荷载-挠度或荷载-应变曲线要注意换算控制断面分级荷载，或者按照截面加载效率绘制曲线。

综上所述，定点常荷载试验方法在确保试验结果准确的基础上，简化了试验程序，节约了试验时间，大大提高了荷载试验效率，可应用于中小跨径桥梁荷载试验当中。

4 结论

针对常规荷载试验加载方式存在的问题，提出了定点常荷载加载方式，并通过工程实例验证与总结，得到以下结论：

(1)定点法与常规法试验结果吻合较好，反映的挠度、应变、校验系数等数据变化规律一致，验证了定点法的准确性。

(2)对比两种方法的试验耗时，定点法较常规法节约37%的时间，这说明了定点法可以大幅度提升荷载试验现场的加载效率。

(3)在应用定点法时，要充分考虑剪力的影响，加载过程中控制车辆加载顺序，保证试验安全。

综上，定点常荷载试验方法在确保试验结果准确的基础上，简化了试验程序，节约了试验时间，大大提高了荷载试验效率，在中小跨径桥梁荷载试验中有较为广泛的应用前景。同时，该加载方式也为桥梁荷载试验加载提供了新的思路。