基于影響線跑車加載的橋梁承載力快速評估方法

南 鵬

（江門市新會區(qū)公路發(fā)展有限公司,廣東 江門 529000）

0 引言

傳統(tǒng)橋梁承載力試驗時，道路必須被封鎖，并且需要技術人員指導和安排測試車輛，測試流程煩瑣，需要耗費大量人力和物力。而擬靜態(tài)的影響線可以通過小型車輛以規(guī)定路徑低速恒速行駛的方式獲得[1]。小型車輛在橋梁上緩慢行駛，可以得到擬靜態(tài)的影響線，其測量結果相對穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的載荷測試相比，擬靜態(tài)的影響線測試更加快捷、方便[2]。小型車輛可以用作輕型載荷，可用于新橋評估、老橋承載能力評估以及橋梁的承載能力評估。

1 工程概況

某公路橋梁，總長270.66 m，采用13 個跨度為20 m的跨徑組合。橋?qū)挒?1.2 m，橫向?qū)ΨQ設置，分別為兩側(cè)0.5 m 護欄、兩側(cè)10.25 m 凈寬橋面和中央1.5 m 隔離帶[3]。該橋梁采用C40 簡支RC T 型梁作為上蓋，下蓋為帶肋板平臺、柱式墩和樁基。該橋梁主要承受了汽-20 和懸掛-100 兩種荷載，并于1993 年完工并投入使用。目前，該橋采用13 cm C40 水泥路面+7 cm 瀝青路面進行路面鋪設。該橋的5×20 mT 梁連接示意圖如圖1 所示。

圖1 15×20 mT 梁連接示意圖

2 輕荷載試驗方法

該研究使用了擬靜態(tài)效應試驗機來進行試驗。在一臺試驗機的受載條件下，對該橋進行了變形及變形影響試驗?；谶@些試驗結果，來將其轉(zhuǎn)化為常規(guī)加載實驗中的加載效率和校正因子[4]。通過這種轉(zhuǎn)化，確保了加載效率和校正因子在0.85～1.05 的范圍內(nèi)，并與現(xiàn)有的相關標準相一致。這使得能夠快速評定新橋和老橋在線性彈塑性狀態(tài)下的承載力。

校驗系數(shù)是評價橋梁承載力的一項關鍵參數(shù)，其數(shù)學公式為：

式中，Se——試驗荷載狀態(tài)下的彈性位移值和彈性撓度值；Ss——試驗荷載狀態(tài)下的結構位移值和結構撓度值。

將公式（2）代入公式（1），可以得到校驗系數(shù)的剛度數(shù)學表達式（3）：

式中，M——橋梁荷載對任意斷面的彎矩；y——這一位置至斷面中軸線的長度；EI——橫梁的抗彎剛度；EsIs——理論上的彎曲剛度；EeIe——實測位移對應抗彎剛度。

從式（2）和式（3）可以觀察到，結構的位移校驗系數(shù)在形式上可以通過位移值轉(zhuǎn)化為剛度值，如圖2所示。

圖2 受集中力作用的簡支梁

可以看出，當一個集中力被施加于一個簡單的梁體時，根據(jù)結構力學，可以得出一個簡單的撓曲方程式（4）：

將式（4）代入式（1），得到撓度校驗系數(shù)也由剛度定義，其計算公式如下：

從橋梁變形的角度來考慮，可以將變形量轉(zhuǎn)化為剛性量。同樣地，也可以用相應的彎曲剛度與相應的彎曲剛度之比來確定偏移校正因子。在線性彈性下，校驗系數(shù)與其剛度相關。校驗系數(shù)為一個常數(shù)，不依賴于加載車的自重和位置。然而，在對橋梁進行載荷實驗時，分期加載是一個外荷載逐漸增加的過程[5]。因此，可以得出結論：在每個載荷加載條件下，加載效率與校驗系數(shù)之間存在一定的函數(shù)關系；在重荷載與輕荷載下，校驗系數(shù)之間也存在一定的函數(shù)關系。這樣，就可以根據(jù)輕型荷載的荷載效應，得到重型荷載作用下的結構檢驗因子。在此基礎上，將其與相關標準相結合，可以對其進行綜合評價[6]。因此，在分析函數(shù)關系時，設定輕度荷載的荷載效率設定為小于0.84，并分為五個區(qū)間，分別是0.75～0.84、0.65～0.74、0.55～0.64、0.45～0.54、0.3～0.44。同時設定重度荷載的荷載效率為≥0.84。然后通過作差的方式對重載荷和所劃分的輕載荷下的校驗系數(shù)進行了計算，進而得出公式（6）和公式（7）：

式中，Δa——絕對差值；ζ——重荷載狀態(tài)下的校驗系數(shù)（包括位移校驗系數(shù)和撓度校驗系數(shù)）；ζn——輕荷載狀態(tài)下的校驗系數(shù)（包括位移校驗系數(shù)和撓度校驗系數(shù)），n=1～5；Δr——相對差值。

采用四分位方法，對計算出的每一座橋梁在不同載荷效率下的結構變形（或撓度）校正因子差異進行分析，得出校正因子差異的幅度并構建其與其相應的載荷效率之間的關系式。結合組合差異的幅度，結合公式（6）、（7）等，能夠計算出在重荷載下的校驗系數(shù)。Δr-η校正回歸方程如表1、2 所示。

表1 鋼筋混凝土梁橋位移校驗系數(shù)差值范圍

表2 鋼筋混凝土梁橋撓度校驗系數(shù)差值范圍

3 基于影響線跑車加載的橋梁承載力評估

3.1 試驗工況

影響線試驗分兩種工況進行。

工況1：試驗車輛以小于5 km/h 的恒速行駛，在橋面間距為2.4 m 的位置進行試驗，并對試驗車輛進行驗證。測試車輛的軸距為1.45 m、軸重為9.94 t。

工況2：試驗車輛以小于5 km/h 的恒速行駛，在橋面間距為4.2 m 的位置進行試驗，并持續(xù)收集和記錄數(shù)據(jù)。測試車輛的軸距為4.10 m、軸重為13.46 t[7]。

具體影響線試驗布置如圖3～5 所示。

圖3 影響線測試工況橫斷面（m）

圖4 影響線測試工況平面布置（m）

圖5 跨中截面撓度與位移測點（m）

3.2 承載力評估

在進行加載后，影響線測試儀會對每個測點處的變形量進行匯總。按照載荷試驗規(guī)范，采用整個跨段斷面的變形量來進行加載[8]。從而得出了在影響工況1、2 狀態(tài)下的加載效果，見表3。

表3 輕荷載試驗荷載效率系數(shù)

根據(jù)表格3 所示，可以得出工況1 和工況2 狀態(tài)下的偏轉(zhuǎn)輕載系數(shù)為0.3～0.84?？梢圆捎镁€性回歸公式進行推算。根據(jù)該橋梁的1 號、2 號、3 號、4 號和7 號測點的理論值和實測值，能夠計算出在輕荷載狀態(tài)下的位移校驗系數(shù)和撓度校驗系數(shù)。進而可以根據(jù)兩個校驗系數(shù)的回歸公式，將輕荷載校驗系數(shù)轉(zhuǎn)化為重荷載效率（在0.85～1.05 區(qū)間內(nèi)）的校驗系數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 輕荷載校驗系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹睾奢d校驗系數(shù)數(shù)據(jù)

統(tǒng)計輕荷載與重荷載校驗系數(shù)各自的分布范圍，得出的結論見表5 和表6。

表5 位移校驗系數(shù)分布范圍

表6 撓度校驗系數(shù)分布范圍

從表4～6 可以看出，輕荷載下的校正因子變?yōu)橹睾奢d下的校正因子后，各個測點的位移校正因子均小于1，而3、4 測點的位移校正因子卻大于1，這表明整個大橋處于一種彈性工作狀態(tài)，其承載力未達到設計標準。

4 結語

綜上所述，該文基于某公路的橋梁工程，提出基于影響線跑車加載的橋梁承載力快速評估方法，并設置兩種工況的影響線跑車加載試驗，試驗快速、準確地檢測出該橋梁處于一種彈性工作狀態(tài)，其承載力未達到設計標準。由此可以看出，該文提出方法能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢測方法，節(jié)省大量人力物力，有效提高橋梁承載力檢測效率。