低速非静止加载与传统加载荷载试验对比分析

王振吉

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 概述

我国既有桥梁的设计使用寿命较长，为了有效验证营运期桥梁的结构安全状态，养护部门会组织开展大量工作，例如定期检测、荷载试验等[1]。桥梁荷载试验是通过施加荷载对桥梁架构或构件的静力、动力特性进行的现场试验测试，通过试验可直接测得理论分析与计算的相关参数，探索桥梁的受力行为[2]。桥梁荷载试验主要包括静载试验和动载试验两个部分，静载试验主要是通过在上部结构典型受力部位或受力最不利部位进行应变(应力)、挠度测试，通过实测值与理论值进行对比分析，从而判定桥梁的实际工作状态[3]。现行相关规范对荷载试验的实施进行了明确规定[4-5]，例如试验工况的选取，测试项目的选择和加载的时间等，但绝大多数在役桥梁交通量较大，若严格按照规范规定的时间进行加载将会造成较大的社会影响，但荷载试验又是评定在役桥梁承载内力的一种直观且有效的方式[6-8]。因此，为了解决这种矛盾，在完成常规加载荷载试验后，创新性地提出了车辆低速非静止状态的加载方案，并将此方案与传统加载方案下的相同工况、相同测试截面的测试数据进行对比，发现两者应变及挠度差值在2.5%～3.5%之间，可以在某些不具备条件的情况下进行车辆低速非静止状态加载的荷载试验。

2 工程概况

某城市快速路于化工园走行线K9+425.6处上跨铁路，跨径布置为(9-30 m)+(3-40 m+1-27 m)+(8-30 m)，该桥全长663.06 m，桥面横向布置为12.0 m+2×0.5 m防撞墙，交角为41°，上部结构采用先简支后连续T梁，下部结构采用柱式墩、扶壁式台、桩基础，该桥于第9孔跨越化工园走行线铁路桥。

汽车荷载等级：公路-Ⅰ级。设计洪水频率：1/100。结构设计安全等级：一级。地震动峰值加速度：0.1g。

3 静载试验

3.1 试验内容

试验孔为第19孔～第21孔3×30 m预应力混凝土T梁，参考JTG/T J21-01—2015公路桥梁荷载试验规程相关规定，并根据其受力特点确定测试工况：

工况一：第19跨跨中截面最大正弯矩及挠度，19号墩顶附近最大负弯矩。

工况二：第20跨跨中截面最大正弯矩。

本桥主要测试内容包括应变测试和挠度测试两部分，并根据测试截面(如图1所示)的受力特点布置应变测点和挠度测点。

3.2 桥梁加载方案理论计算

采用土木工程通用分析软件Midas/Civil建立空间梁单元有限元模型。通过模型提取控制截面内力影响线，用于确定加载方案。

采用等效静力原则将选定的试验车辆加到桥跨上，算出试验荷载作用下控制截面内力和荷载效率ηq，如图2,图3及表1所示。

表1 荷载效率表

3.3 测点布置

参考JTG/T J21-01—2015公路桥梁荷载试验规程规定，挠度及应变测点布置应遵循如下原则。

3.3.1 遵循原则

1)挠度。a.挠度测点的布置应能反映结构的最大变位及其变化规律；b.主梁挠度的纵桥向测点宜布置在各工况荷载作用下变位曲线的峰值位置；c.挠度测点的横向布置应充分反映桥梁横向挠度分布特征。

2)应变。a.应变测点应根据测试截面及测试内容合理布置，并能反映桥梁结构的受力特征；b.单向应变测点布置应体现左右对称、上下兼顾、重点突出的原则，并能充分反映截面的高度方向的应变分布特征。

3.3.2 挠度、应变测点具体布置

1)挠度测点布置。控制截面处桥面挠度采用百分表及SMTN-X多点动态视频测量系统相结合进行测试。挠度测点布置于测试断面处，测设方法为在T梁底板挂重锤，通过百分表进行读数(如图4，图5所示)。

2)应变测点布置。采用JM3812桥梁结构静态数据采集仪对桥梁应变进行采集。在上行第19孔最不利位置布置一个最大正弯矩工况测试断面和一个最大负弯矩工况测试断面，每个测试断面横截面均布置10个应变测点，编号中A1代表正弯矩试验工况，B1代表负弯矩试验工况(如图6，图7所示)。

3.4 加载车辆

3.4.1 车辆选用标准

本次荷载试验选用三轴载重车进行加载，如图8所示。按照高速公路车辆载重要求，控制加载车吨位为42 t左右，实际加载车辆车重、轴重、轴距(S1,S2)轮距(L1)等参数详见表2。

3.4.2 加载车辆技术参数

实际加载车辆轮距、轴距、轴重等技术参数见表2。

表2 试验车辆技术参数表

4 应变分析结果

分别给出工况一试验荷载作用下第19孔正弯矩工况(见表3，图9，图10)、工况一试验荷载作用下19号墩顶附近负弯矩工况(见表4，图11，图12)和工况二试验荷载作用下第20孔正弯矩工况下应变的传统加载方式的实测值和车辆非静止状态加载方式的实测值(见表5，图13，图14)，给出了两者与理论值的比值。绘制了两种加载方式的荷载-应变曲线。由于采集设备等原因，在进行车辆低速非静态加载对比试验时，仅对应变进行了对比分析，未对挠度进行对比分析。

表3 工况一荷载作用下第19孔A1-A1截面测点应变测试结果

表4 工况一荷载作用下第19孔B1-B1截面测点应变测试结果

表5 工况二荷载作用下第20孔A2-A2截面测点应变测试结果

续表

从图表中可以看出，非静止加载方式与传统加载方式在各截面产生的应变效应差别较小，最大相差10%，满足工程允许范围，验证了非静止状态加载方式的合理性。传统加载方式应变校验系数在0.65～0.75之间，非静止状态加载方式应变校验系数在0.61～0.78之间，均符合相关规范要求。负弯矩区荷载-应变曲线线性关系不良，可能与负弯矩区特殊受力特性及该区域施工质量有关。

5 挠度分析结果

试验过程中对跨中(或最不利位置)位置挠度进行了测试。挠度测试采用百分表进行测量。在各级试验荷载作用下，各控制断面测点挠度实测值与理论值，分析结果如表6，表7，图15～图18所示。

表6 工况一试验荷载作用下第19孔跨中挠度实测值及理论值 mm

表7 工况二试验荷载作用下第20孔跨中挠度实测值及理论值 mm

荷载试验加载结果表明：在工况一试验荷载作用下，第19孔T梁跨中挠度校验系数介于0.68～0.69之间。第19孔T梁跨中相对残余变形介于0.93%～17.56%之间。在工况二试验荷载作用下，第20孔T梁跨中挠度校验系数介于0.69～0.73之间。第20孔T梁跨中相对残余变形介于2.95%～6.55%之间。边梁及次边梁荷载-挠度曲线基本处于线性状态，说明该立交桥第19孔、第20孔T梁结构具有一定安全储备，结构处于弹性工作状态。

6 结论展望

荷载试验是判断结构承载能力的最直接有效的方式，传统加载荷载试验需要封闭道路，耗时较长，会造成较大的社会影响，本研究创新性地提出车辆非静止状态加载方式，结论显示：非静止加载方式与传统加载方式在各截面产生的应变效应差别较小，最大相差10%，满足工程允许范围，验证了非静止状态加载方式的合理性，为同类型项目提供了一定的思路。

本文只针对两种不同加载方式的应变之间的差异进行分析，由于所选仪器设备的原因，未能对非静止状态加载的挠度数据进行采集，有待于做进一步研究。