公路桥梁承载能力试验与检测方法

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公路桥梁承载能力试验与检测方法

0 U7 W+ S4 i; `$ _( {谌润水
(江西省交通科学研究院,江西 南昌  330038)
' p$ I% d3 n& S  W( b% J# \9 M; Q
$ H' L- J3 M$ k& S摘  要：我国公路桥梁的设计荷载标准已作了重大调整，不仅和国际标准模式接近，更加符合实际情况，也简化了设
计计算工作。相应的公路桥梁承载能力试验与检测工作也应调理，重点测试桥梁的内力纵向影响线和荷载横向分布系
" `( H, k6 Y& p! `, b! n& U5 t数，进而分析评定桥梁的实际承载能力。
关键词：公路桥梁；承载能力；纵向影响线；试验；检测；方法
* G% {. n# s, p$ L0 S( F( }8 T, Z
& H- X3 E3 D! }. l9 B/ d. D$ C
" Q1 W1 [; A7 ~5 l9 O1 C0 k0 w5 m
1  前言
7 @( u/ N, I* A2 R1.1  公路桥梁承载力试验的目的与作用
7 d- U* ?- X; y% U. L- I2 \0 P全国每年都有一大批结构新颖、雄伟壮观、形式多样的桥梁建成，无论在桥梁单跨跨度、结构复杂程度和施工技术难度方面，我国桥梁建设技术水平已进入世界先进之列。
随着科学技术的进步，桥梁结构的设计方法和设计理论都有了根本性的变化，然而影响桥梁工程质量的许多不确定因素仍然存在，对于建成后的桥梁工程质量，人们更希望了解和掌握其使用性能和效果。
: ]3 A# J! m$ \% C( [7 M对那些影响较大、结构新颖、隐蔽工程较多的桥梁进行全桥实桥荷载试验，是竣工验收时对桥梁工程内在质量进行评判时最直接和有效的方法和手段。同时亦为设计理论、施工技术总结积累经验，为桥梁建设的整体水平提高创造条件，为今后桥梁的养护管理提供科学依据。
  _3 c' U* Q3 [美国一位专家曾说过：“无论多么高新的结构分析技术都不能取代用于评估公路大桥性能的现场测试。当建筑物承受工作荷载时，记录下应变测试结果，根据测试结果工程师就能更好地了解桥梁的真实结构响应。”
1.2  新的公路桥梁汽车荷载标准
我国颁布的行业标准《公路工程技术标准》（JTG B01-2003），将使用近40年的原公路桥涵结构设计采用的车辆荷载标准模式及其分级作了重大调整。一是将四级标准车队荷载改为公路-Ⅰ级、公路-Ⅱ级两级汽车荷载；二是汽车荷载采用了国外普遍采用的车道荷载和车辆荷载组成的模式；另外，从形式上取消了验算荷载，将验算荷载的影响通过多种途径间接地反映到汽车荷载模式中。
而《公路桥涵设计通用规范》（JTG D 60-2004）亦提出在公路桥涵设计时，车道荷载横向分布系数应按设计车道数布置车辆荷载进行计算；同时多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减；当桥梁计算跨径大于150m时，还应按规定的纵向折减系数进行折减；当为多跨连续结构时，整个结构应按最大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。
( V- W& P, n) Q7 y: Y' r) v1.3  解读新的汽车荷载标准
美国早在1944年就在美国公路桥梁规范（AASHO）中采用车辆荷载与车道荷载，即双轨制的活载标准，用以补充活载设计标准的缺陷与不足。采用车道荷载的最大优点是，车道荷载便于在影响线上布载，一旦影响线形状、面积及最大坐标值已知，则加载手续简便，计算工作量少；而对于特定桥型结构的桥梁，其内力影响线又是一定的。所以，为简化桥梁活载标准，同时也是为了更加符合桥梁实际使用情况，我国公路桥梁的汽车荷载标准采用国际上常用模式是利多弊少的。
* r% \4 K9 [% ^. N" V5 ?对于新的汽车荷载标准，《通用规范》的条文说明是：
3 q" r7 i3 b( r2 C) ?/ O①原规范汽车荷载的计算图式是一辆加重车和具有规定间距的若干辆标准车组成的车队表示的，实践表明这种图式对人工和计算机加载计算都不很方便，且计算效应随桥梁跨径的变化是不连续的。而采用由均布荷载qk组成的图式，只要知道桥梁的影响线面积和最大竖坐标，荷载效应即可计算出来，并且这些影响线面积和竖坐标值可在桥梁设计的有关手册查得或通过较为简单的计算得到。
②规范所规定的车道荷载实际上是一个虚拟
荷载，它的标准值qk和pk是由对汽车车队（车重和车距）的测定和效应分析得到的。
③在桥梁设计时，为取得主梁的最大受力，汽车荷载在桥面上需要偏心加载，其方法仍可用车辆荷载偏心加载，从而得到汽车荷载横向分布系数。
) f8 S* T; u% ?) T为适应新的汽车荷载标准，在进行公路桥梁承载力试验和检测时，则应重点测试桥梁的内力纵向影响线和荷载横向分布系数，进而分析评定桥梁的实际承载能力。
2  公路桥梁承载能力试验与检测方法
2.1  桥梁承载能力定量检测程序
8 @/ B! F0 }+ ~对公路桥梁实施荷载试验用于检测和评定其承载能力和实际状况，应遵循内外相统一的因果规律，通过由现象到本质、由表及里的深化认识和跟踪，从检测和现场荷载试验入手，寻求桥梁现状和承载力的定性关系，从而确定桥梁具体测试方案、测试孔跨及其测试部位，按逐级加载的多工况实施静态测试；按不同车速进行动态测试；利用应力释放原理，施测结构自重恒载应力（有条件和具有相应测试仪器可考虑做此项测试工作）及混凝土弹性模量；对结构几何尺寸作空间变形观测；对混凝土材料标号用综合法作探测试验等等。在一系列实测数据的基础上，将实测值与理论值作相似条件下的对比分析，以校验系数作为指标参数和合理性的衡量标准。由此，对得出的承载力指标，再经过可靠度分析和实际状况评定，从而确定桥梁实际承载能力和实际状况。
2.2  桥梁纵向影响线的测试
反映桥梁承载力的主要指标当数各控制截面的内力或应力，按新规范要求，当桥梁的纵向影响线和最大竖坐标已知后，荷载作用效应（内力或应力）即可得到，桥梁的承载能力也就知道。
下面结合工程实例，介绍采用双轴荷载测定桥梁控制截面内力纵向影响线的方法，进而对桥梁承载能力进行评定。
3 _3 A0 H) k( \/ q9 I% S' e3  拱桥承载能力测试实例
+ C8 H. i5 f9 n2 I3.1  黄花大桥概况
: J% D9 e* T  h: s' G) b+ T) j黄花大桥位于江西省萍乡市的320国道上，是一座钢筋混凝土双曲拱桥，全长188m，主桥三跨，每跨净距28.5m。主桥设计荷载：汽-13，拖-60，桥面净宽7.3m，无人行道，矢跨比1/6，设计拱轴系数M=2.20，主拱圈宽度为8m，拱圈厚0.88m，立柱式腹拱墩。下部构造为：15#片石混凝土实体墩和桥台，桥墩顶宽2.5m，基础均为明挖扩大基础。
3.2  测定主拱圈纵向影响线
为测定主拱圈混凝土和钢筋应力沿拱跨纵向分布情况，即纵向影响线，测试时采用两辆“罗曼”车偏下游布载，共计十个车位（如图1所示）。
$ T# t4 y  @8 S" R6 p+ R图1  测试纵向影响线加载车位纵向布置图
3.2.1  用双轴荷载测定纵向影响线方法
- O6 K4 o! r; P3 K8 O( w为了测得纵向影响线，须采用图1方式布载，将一辆双轴汽车顺桥向布置在各载位上，所得某测点相应的应变示于相应载位的纵坐标上，并用迭代法求得该测点位置影响线纵坐标值 。
设车辆的前轴重P1，后轴重P2，测点的实测值为yi，i为后轴的载位顺序。则影响线纵标为 ：
i=1时，
$ I6 I% V5 B8 M+ pi=2时，
i=i时，
+ n8 m, W) o9 [6 I逐次迭代，即可求得各载位上的纵向影响线纵坐标值 。
+ \$ N" z" t$ Z: Z为了求得某测点的纵向影响线峰值，应首先把荷载的后轴置于该测点的位置上，然后以此递推其他载位。如图1中载位①～载位⑩的载位系列可求得拱顶截面上各测点的影响线峰值，因为其中载位⑤的后轴正好位于拱顶截面上。
+ ~5 ?( i2 k' w) W但对L/4等位于纵梁上的各测点与上述载位系统中各载位的后轴作用位置不重合，只能求得这些测点在这些载位下的影响值，而无法直接求得这些测点的影响线峰值。
为了能实测到该测点的峰值，可在此点布置另一载位的后轴，并向前或向后递推到其它载位，直到桥面的一端，组成一个补充载位系列。如图1所示，为了补充截面L/4的峰值，补充载位系列为载位○11和○13组成，载位○13的后轴作用点在截面L/4上。为了保证数据正确，荷载要准确称重，作用点位置要尽可能对准。
% [* T/ S  B- [# F. J* _8 L0 n4 D) t3.2.2  实测各截面内力纵向影响线如图2所示

4 |+ U' V# g4 @5 r/ r图2  实测各截面内力纵向影响线
2 ^; a0 ]# P( J% `3 T6 l（单位：0.1MPa/T或Kg/cm2/T）
+ C/ b  w8 s- \! g) P+ w, T3.3  桥梁荷载横向分布系数测定
0 T0 v+ A3 u/ c* J8 A/ T为测定桥梁的荷载横向分布情况，分别在试验孔拱顶和L/4截面加载测得主拱圈挠度，进而求得桥梁的实际横向分布系数。
- |% L# Y6 A9 j) d, I表1  主拱圈（跨中和L/4处）实测挠度与横向分布系数
! v1 ^" h: ^" X9 M( k& [: Q序
号        截面
    肋号
加载位置        跨         中        L  /  4
                1        2        3        4        5        1        2        3        4        5
& H0 D, i3 e4 v: f) w1        拱顶位置        0.55        0.60        0.70        0.80        0.565        0.023        0.025        0.026        0.029        0.030
& N0 }7 ~$ e# l5 p1 p2        L/4处加载        0.10        0.075        0.12        0.055        0.15        0.056        0.063        0.065        0.067        0.069
3        荷载横向
5 u3 x( n1 t% O2 x" n7 G分布系数        0.171        0.186        0.218        0.249        0.176        0.175        0.197        0.203        0.209        0.216
" P# g7 S, ]4 a3 t+ V注：①拱肋编号由上游往下游编为1～5#肋。
* g) f6 ~- q( W$ A6 K% }②加载为两辆各重300KN“大交通”偏下游布置。
3.4  大桥承载能力测试结果
①由实测的桥梁荷载横向分布系数可知，大桥各肋分配内力较均匀，整体性能较好。
; f* R: @. L; c, J% w) o②由图2可知，在两辆“罗曼”车作用下，无论是跨中截面的混凝土和钢筋应力，还是L/4和拱脚截面混凝土应力，其沿桥跨的纵向分布情况，以及相应的纵向影响线均和理论情况相吻合。说明该桥的施工质量和使用性能较好。拱上建筑与拱圈联合作用明显。
( t9 _2 v7 b+ _" o+ A! [4  连续箱梁桥承载能力测试实例
4.1  大桥概况
2 M+ F' n  g( @5 U/ o$ x: [江西吉安赣江公路大桥全长1577.08米。全桥桥孔布置为34×16米空心板+5×40米T梁+（60+4×100+60）米连续箱梁（主桥）+2×40米T梁+14×16米空心板。桥面净空为净－15+2×1.76米人行道。设计荷载：汽车－超20级，挂车－120，人群荷载3.5千牛/平方米。
本桥主桥上部构造为双箱单室连续箱梁，下部构造为V形预应力混凝土墩，基础为φ1.8米钻孔灌注桩。
4.2  试验目的和内容
本次试验的目的是检测大桥结构的刚度、强度和整体受力性能，检验大桥是否符合设计要求及能否正常使用。因此，根据本桥主桥设计特点，以及正负弯矩分布情况，在汽车－超20级荷载作用下最大正弯矩位于距39号桥墩支座中心沿BANNED方向108.9米处跨中截面（以下称A截面），最大负弯矩位于距39号桥墩支座中心沿BANNED方向173.34米处支座截面（以下称B截面）。各V型桥墩墩顶设纵横系梁是保证V形墩正常工作的重要部件，纵向系梁为预应力混凝土，横向系梁为普通钢筋混凝土。为此，测试截面定为A截面、B截面及41号桥墩墩顶纵系梁中点截面（以下称C截面）。
4.3  测试方法
由于本桥跨径大，测试范围长，桥面宽，设计荷载标准高等特点，如采用通常用汽车加载，按设计规范的四列车队满布桥面的方法，则需要大量的重型车辆，不仅这种车辆一时难以寻找和集中，而且需花费过多的经费。为此，本次试验采取对上述截面测取实桥在试验荷载作用的实际混凝土应力和挠度纵向影响线，并和试验荷载作用下理论计算的大桥相应截面的混凝土应力和挠度值进行比较分析，从而鉴定大桥是否符合设计要求和能否满足正常使用。
! a3 u- Z9 Y" N4 A6 k, I3 S4.4  试验加载汽车纵向车位布置
试验时加载汽车纵向车位布置是从39号桥墩上的连续箱梁端部开始，向BANNED方向每隔8米作为一个测试车位，用红油漆和钢尺在桥面上标出。共计布置41个车位，计加载范围总长335米。此时加载后对A、B、C截面产生的应力和挠度值很小，可以不考虑其影响。
: o3 P; I) e5 y! x7 p$ u- F! W4.5  测试成果分析
4.5.1  实测各控制截面内力纵向影响线如图3所示。
图3  静载试验实测截面影响线
4.5.2  测试成果分类整理如下列表2～表6。
- w- a, h; P, y7 v% q$ O表2  A截面实测应力与理论计算值比较表
车位号        后轴距
端点长
（m）        上缘应力（MPa）        下缘应力（MPa）
                实测值        理论值        校验系数        实测值        理论值        校验系数
3        24        0.05        0.052        0.96        -0.078        -0.086        0.91
8        64        -0.05        -0.060        0.83        0.095        0.098        0.97
; v1 @. n. I8 {; Y* u& C( X12        96        0.60        0.606        0.99        -0.920        -0.989        0.93
20        160        -0.05        -0.054        0.93        0.083        0.089        0.93
5 M( X2 d+ O7 ~25        200        0.06        0.060        1.00        -0.091        -0.098        0.93
- Q# Z* X2 _3 f4 L注：①表中数字前符号为(-)者表示受拉，未带符号者表示受压(下同)。
8 P, z# n& q: R/ D& J# [* _0 _; Y②《大跨径混凝土桥梁的试验方法》要求校验系数：1.0≥η＞0.8。

; Z1 N% N0 C% B1 z  M表3  B截面实测应力与理论计算值比较表
车位号        后轴距
  h) i1 i6 Q! q端点长
（m）        上缘应力（MPa）        下缘应力（MPa）
                实测值        理论值        校验系数        实测值        理论值        校验系数
7 P7 `7 b" g$ Z( A. L. V3 e15        120        0.136        0.149        0.91        -0.158        -0.164        0.96
20        160        -0.132        -0.143        0.92        0.152        0.158        0.96
4 q* B$ c4 `% \7 D$ {25        200        -0.802        -0.827        0.97        0.904        0.912        0.99
32        256        0.061        0.065        0.94        -0.068        -0.072        0.94
38        304        -0.058        -0.066        0.88        0.066        0.072        0.92

) K- q1 _" K. h表4  C截面实测应力与理论计算值比较表
车位号        后轴距端点长（m）        实测应力（MPa）        理论计算值（MPa）        校验系数（η）
% h" S: k; x, G6 t  c; L! X3        24        -0.907        -1.055        0.86
8        64        -1.638        -1.840        0.89
20        160        -2.370        -2.548        0.93
25        200        -0.328        -0.360        0.91
30        240        -0.807        -0.949        0.85
注：①表中数字前符号为（-）者表示受拉，未带符号者表示受压。
②《大跨径混凝土桥梁的试验方法》要求校验系数：1.0≥η＞0.8。

表5  A截面实测挠度与理论计算值比较表
车位号        后轴距端点长（m）        实测挠度（mm）        理论计算值（mm）        校验系数（η）
: i1 I5 ^' _8 G" S0 P7 i& E6 S0 g3        24        -0.65        -0.71        0.92
8        64        0.79        0.82        0.96
14        112        -6.87        -7.03        0.98
3 Y- C7 ?+ Z+ @- C- h& i/ ]19        152        0.66        0.70        0.94
25        200        -0.87        -0.90        0.97
- @1 x# u" [6 r" Y, T# O) z$ `# Q注：表中数字前（-）表示该截面向下变形，未带符号表示向上变形。
" \" |7 K, A$ ?, r' p- V6 U: l" s( Y表6  A截面实测四列车偏载时横向分布系数（活载）分析表
车位号        上游箱梁
/ E! M+ S6 B* y. O- L8 x实测挠度
, u4 Y, \% _/ w4 a4 W（mm）        下游箱梁
实测挠度
5 }) D" _4 Y3 p+ t2 ]: |4 L& i（mm）        活载横向分布系数
0 \! Q' P5 J% H7 j* z                        K(实测)        考虑活载折减后
4 o6 A8 N& ]5 V- E* I) M- h14        -6.87        -4.36        2.447        1.601
19        0.66        0.42        2.400        
( n3 S. i+ X8 }4 y- G+ `9 P5 J3 n% T25        -0.87        -0.56        2.434        
7 T* j6 e/ @1 e& z) D& l注：①表中数字前（-）表示该截面向下变形，未带符号表示向上变形。
5 A3 _9 z  B% @②理论计算的活载横向分布系数为1.61。
4.5.3  测试成果分析
& Y3 C3 f3 H: a①由表2至表5中各截面的实测值和相应的理论计算值的校验系数可知，均符合《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中所规定的1.0≥η＞0.8的要求，说明本桥无论是从强度上或是刚度上均达到设计要求。
②表6中由实测挠度所推出的活载横向分布系数，较好地吻合理论计算的活载横向分布系数，说明大桥的整体受力性能较好，符合设计要求和满足正常使用要求。
5 v- ]' B; v6 c4.6  试验结论与桥梁承载力评定
从吉安赣江公路大桥主桥的鉴定性静载试验结果分析，大桥具有足够的刚度和强度承受设计荷载，其横向联系和桥面是强劲的，活载挠度横向分布与计算值吻合，大桥的整体受力性能良好。因此，可以认为大桥的设计和施工是成功的，达到了预期的目的，可以交付使用。
4 }: n1 K! T* r! Z- ~( {5  结语
①对于需进行施工质量评定的新建桥梁，鉴定性荷载试验的控制荷载就是设计荷载；按新规范的要求，桥梁的承载能力可通过实测主要控制截面的内力纵向影响线来分析评定。若是需进行承载能力评定的既有桥梁，应当先进行全桥检测，查明病害，再确定控制荷载，以防进行荷载试验时给既有桥带来新的损伤；如进行荷载试验是为测试重型车辆是否能通过该桥，控制荷载应选择与重型车辆具有同样效应的布载方式。
②鉴于我国现行的《公路旧桥承载能力鉴定方法》中静力加载试验项目的确定，主要是针对桥梁主要承重构件而言，对次要承重构件或局部受荷强度以及桥梁横向受力特征等问题没有涉及，而次要承重构件或桥梁横向受力特征计算取用合理性直接关系到检算结果的真实性，同时局部受荷强度问题往往是造成桥梁无法正常使用的关键问题，所以建议增加诸如行车道板、拱上建筑以及桥梁横向荷载分布测定等的加载试验项目。随着我国桥梁建设事业的发展，许多新桥型、新结构已在公路上被广泛使用，所以有必要结合全国公路桥梁普查情况，增加斜拉桥、悬索桥、连续刚构、刚构—连续梁组合体系、无梁板桥、系杆拱、预应力桁架拱、刚架拱等新桥型、新结构的加载试验项目。
8 f8 A4 |; x+ N; B" r, w③考虑到在以往的桥梁试验鉴定中，经常碰到测读的结构裂缝宽度虽然超限，但试验测得的结构主要控制截面应变和挠度要比计算结果小得多的情况，如果仅凭裂缝宽度这一单一指标超限就认定一座桥梁承载能力有问题，是不妥的。而规范对裂缝宽度的限制，更多是从耐久性角度考虑的，加上目前影响测读裂缝宽度的人为因素较多，所以在裂缝评定中建议采用裂缝形态、分布（间距）、高度和宽度以及卸荷闭合等多指标进行综合评定。


参考文献：
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[3]张士铎.公路桥梁车道荷载模式及其应用.中国公路学报.1994年8月.P92～97.
* f8 T5 \( ?; `5 h5 T% d  R[4]刘仲训、刘柏青.香屯大桥承载能力的检测.华东公路.1990年2月.P63～66
[5]谌润水、胡钊芳、帅长斌.公路旧桥加固技术与实例.人民交通出版社.2002年1月.P250～256

非常值得学习的资料，谢谢奉献...
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