1、公路桥梁承载能力试验与检测方法1 前言1.1 公路桥梁承载力试验的目的与作用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。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
2、创造条件，为今后桥梁的养护管理提供科学依据。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(JTGB012003)，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，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
3、荷载模式中。而公路桥涵设计通用规范 (JTG D 602004)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。1 3 解读新的汽车荷载标准美国早在?944 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，
4、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。对于新的汽车荷载标准，通用规范的条文说明是：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。规范所规定的车道荷载实际上
5、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。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。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
6、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
7、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 拱桥承载能力测试实例3.1 黄花大桥概况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 16 ，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。
8、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 10 个车位(如图1 所示)。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。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 中载位载位的载位系列可求得拱顶截面上各测点的影响线峰值，因为其中载位的后轴正好位于拱顶截面上。但对 L4 等位于纵粱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，
9、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 L4 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 L4 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。3.3 桥梁荷载横向分布系数测定为测定桥梁的荷载横向分布情况，分别在试验孔拱顶和 L4 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。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
10、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。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 L4 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。4 连续箱梁桥承载能力测试实例4.1 大桥概况江西吉安赣江公路大桥全长 1577.08m.全桥桥孔布置为3416m 空心板+540mT 梁+(60+4100+60)m 连续箱梁(主桥)+2X40mT 梁 +14X16m 空心板。桥面净空为净15+2X1.76m 人行道。设计荷载：汽车超 20 级，挂车120
11、，人群荷载 3.5kNm 2。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，基础为中 78m 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 号桥墩支座中心沿赣州方向 1089m 处跨中截面(以下称 A 截面)，最大负弯矩位于距 39 号桥墩支座中心沿赣州方向 17334m 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
12、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 4 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。表 1 主拱圈（跨中和 L/4 处）实测挠度与横向分布系
13、数跨 中 L/4序号截面肋号加载位置1 2 3 4 5 1 2 3 4 51 拱顶位置 0.55 0.60 0.70 0.80 0.5650.0230.0250.0260.0290.0302 L/4 处加载 0.10 0.075 0.12 0.055 0.15 0.0560.0630.0650.0670.0693 荷载横向分布系数0.171 0.1860.2180.2490.1760.1750.1970.2030.2090.216表 2 A 截面实测应力与理论计算值比较表上缘应力/MPa 下缘应力/MPa车位号后轴距端点长（m ）实测值 理论值 校验系数 实测值 理论值 校验系数3 24 0.
14、05 0.052 0.96 -0.078 -0.086 0.918 64 -0.05 -0.060 0.83 0.095 0.098 0.9712 96 0.60 0.606 0.99 -0.920 -0.989 0.9320 160 -0.05 -0.054 0.93 0.083 0.089 0.9325 200 0.06 0.060 1.00 -0.091 -0.098 0.93表 3 B 截面实测应力与理论计算值比较表上缘应力/MPa 下缘应力/MPa车位号后轴距端点长（m ）实测值 理论值 校验系数 实测值 理论值 校验系数15 120 0.136 0.149 0.91 -0.158
15、-0.164 0.9620 160 -0.132 -0.143 0.92 0.152 0.158 0.9625 200 -0.802 -0.827 0.97 0.904 0.912 0.9932 256 0.061 0.065 0.94 -0.068 -0.072 0.9438 304 -0.058 -0.066 0.88 0.066 0.072 0.92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/3 24 -0.907 -0.055 0.868 64 -0.638 -1.840 0.8920 160 -2.370 -2.5
16、48 0.9325 200 -0.328 -0.360 0.9130 240 -0.807 -0.949 0.85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/3 24 -0.65 -0.71 0.928 64 0.79 0.82 0.9614 112 -6.87 -7.03 0.9819 152 0.66 0.70 0.9425 200 -0.87 -0.90 0.97表 6 A 截面实测四列车偏载时横向分布系数（活载）分析表活载横向分布系数车位号上游箱梁实测挠度mm下游箱梁实测挠度mm K/实测考虑活载折减后14 -6.87 -0.436 2.44719 0.66 0.42 2.40025 -0.87 -0.56 2.4341.6014.4 试验加载汽车纵向车位布置
