一、试验计划
桥梁的荷载试验是一项复牵而又细致的工作,应在桥梁调査和检算的基础上确定试验项目,仔细地考虑试验的全过程,预计可能出现的问题及其处理方法,制定切实可行的试验计划,保证试验工作的顺利进行。荷载试验要弥补桥梁调查和检算中的不足,使桥梁承载能力鉴定工作进一步深化。
试验计划的主要内容包括:
1. 试验目的。
2. 准备工作。
3. 加载方案与实施。
4. 测点设置与观测。
5. 加载控制与安全措施。
二、试验准备工作
1. 试验孔(或墩)的选择
多孔桥结构相同跨径相等的孔(或墩)可选择I〜3个具有代表性的孔(或墩)进行加载试验,选择时应综合考虑以下条件:
(1) 该孔(或墩)计算受力最不利。
(2) 该孔(或墩)施工质量较差,缺陷较多或病害较严重。
(3) 该孔(或墩)便于搭设脚手架及设置测点或试验时便于加载。
选择试验孔(或墩)的工作可结合桥梁调査和检算工作一并进行。
2. 搭设观测脚手架及设置测点附属设施
(1) 搭设观测脚手架
脚手架的设置要因地制宜,就地取材,方便观测仪表和保证安全,不影响仪表和测点的正常工作,不干扰测点附属设施。当桥下净空较大,不便设置固定脚手架时,可考虑采用轻便活动吊架,两端用尼龙绳或细钢丝绳固定在栏杆或人行道缘石上,整套设备使用前应进行试载以确保安全。活动吊架如需多次使用可做成拼装式以便于运输和存放。
(2) 设置测点附属设施
在安装挠度、沉降、水平位移等测点的观测仪表时,一般需要设置木桩、木桩架或其他支架等测点附属设施,设置时既应满足仪表安装的需要,又使其不受结构本身的变形、位移的影响,同时应 保证其稳妥、牢固,能承受试验时可能产生的车辆运行、人行走动等的干扰。
睛天或多云天气下进行加载试验时,阳光直射下的应变测点,应设置遮挡阳光的设备,以减小温度变化造成的观测误差。雨季进行加载试验时,则应准备仪器、设备等的防雨设施,以备不时之需。
3. 静载试验加载位置的放样和卸载位置的安排
静载试验前应在桥面上对加载位置进行放样,以便于加载试验的顺利进行。如加载程序较少,时间允许,可在每程序加载前临时放样。如加载程序较多,则应预先放样,且用不同颜色的标志区 别不同加载程序时的荷载位置。
静载试验荷载卸载的安放位置应预先安排。卸载位置的选择既要考虑加卸载方便,离加载位置近一些,又要使安放的荷载不影响试验孔(或墩)的受力,一般可将荷载安放在桥台后一定距离处。对于多孔桥,如有必要将荷载停放在桥孔上,一般应停放在距试验孔较远处以不影响试验观测为度。
4. 试验人员组织及分工
桥梁的荷载试验是一项技术性较强的工作,最好能组织专门的桥梁试验队伍来承担,也可由熟悉这项工作的技术人员为骨干来组织试验队伍。应根据每个试验人员的特长进行分工,每人分管的仪表数目除考虑便于进行观测外,应尽量使每人对分管仪表进行一次观测所需的时间大致相同。所有参加试验的人员应能熟练 掌握所分管的仪器设备,否则应在正式开始试验前进行演练。为使试验有条不紊地进行,应设试验总指挥〗人,其他人员的配备可根据具体情况考虑。
5. 其他准备工作
加载试验的安全设施、供电照明设施、通讯联络设施、桥面交通管制等工作应根据荷载试验的需要进行准备。
三、加载方案与实施
1.加载试验项目的确定
在满足鉴定桥梁承载能力的前提下,加载项目安排应抓住重点,不宜过多。一般情况下只做静力荷载试验,必要时增做部分动力荷载试验项目。
静载试验一般有一两个主要内力控制截面,此外根据桥梁具体情况可设置几个附加内力控制截面。
一些主要桥型的内力控制截面如下:
(1) 简支梁桥
主要:跨中最大正弯矩。
附加:支点最大剪力,墩台最大垂直力。
(2) 连续梁桥
主要:支点最大负弯矩,跨中最大正弯矩。
附加:支点最大剪力,墩台最大垂直力。
(3) 悬臂梁桥
主要:支点最大负弯矩,锚跨跨中最大正弯矩。
附加:支点最大剪力,墩台最大垂直力,挂梁跨中最大正弯矩
(4) 无铰拱桥
主要:跨中截面最大正弯矩,支点截面最大负弯矩》
附加:拱脚最大水平推力,L/4截面最大正弯矩和最大负弯矩。
此外,对桥梁的薄弱截面、损坏部位、比较薄弱的桥面结构等是否设置内力控制截面及安排加载项目可根据桥梁调査和检算情况决定。
使用车辆加载而又未安排动载试验项目时,可在静载试验项目结束后,将加载车(多辆车则相应地进行排列)沿桥长慢速行驶一趟,以全面了解荷载作用于桥面不同部位时结构承载状况。
动载试验一般安排标准汽车车列(对小跨径桥,也可用单排车)在不同车速时的跑车试验,跑车速度一般定为5km/h、10km/ h、2〇km/h、30km/h、40km/h、50km/h。此外可根据桥况安排其他一些试验项目,如需测定桥梁承受活载水平力性能时做车辆制动试验,为测定桥梁自振频率做跳车后的余振观测,并在无荷载时进行脉动观测。
2.加载时截面内力的控制
(1) 控制荷载的确定
为了保证荷载试验的效果,必须先确定试验的控制荷载。桥梁需要鉴定承载能力的荷载可能有以下几种:
① 汽车和人群(标准荷载)。
② 平板挂车或履带车(标准荷载)。
③ 需通行的重型车辆。
分别计算以上几种荷载对控制截面产生的最不利内力,用产生最不利内力较大的荷载作为静载试验的控制荷载。因挂车或履带车不计冲击力,所以动载试验以汽车荷载作为控制荷载。
荷载试验应尽量采用与控制荷载相同的荷载,但由于客观条件的限制,实际采用的试验荷载与控制荷载会有所不同,为保证试验效果,在选择试验荷载大小和加载位置时采用静载试验效率%、动载试验效率%进行控制。
(2) 静载试验效率
荷载试验宜选择温度稳定的季节和天气进行。当温度变化对桥梁结构内力影响较大时,应选择温度内力较不利的季节进行荷载试验,否则应考虑用适当增大静载试验效率%来弥补温度影响对结构控制截面产生的不利内力。
当控制荷载为挂车或履带车而采用汽车荷载加载时,考虑到汽车荷载的横向应力增大系数较小,为了使截面的最大应力与控制荷载作用下截面最大应力相等,可适当增大静载试验效率?
(3) 动载试验效率
动载试验的效率不仅取决于试验车型及车重力,而且取决于实际跑车时的车间距。因此在动载试验跑车时应注意保持试验车辆之间的车间距,并应实际测定跑车时的车间距以作为修正动载试验效率%的计算依据。
1. 静载加载分级与控制
为了加载安全和了解结构应变和变位随加载内力增加的变化关系,对桥梁主要控制截面内力的加载应分级进行,而且一般安排在开始的几个加载程序中执行。附加控制截面一般只设置最大内力加载程序。
(1) 分级控制的原则
① 当加载分级较为方便时,可按最大控制截面内力均分为4〜5级。
② 当使用载重车加载,车辆称重有困难时也可分成3级加载。
③ 当桥梁的调査和验算工作不充分,或桥况较差,应尽量增多加载分级:如限于条件加载分级较少时,应注意每级加载时.车辆 荷载逐辆缓缓驶人预定加载位置,必要时可在加载车辆未到达预定加荷位置前分次对控制测点进行读数以确保试验安全。
④ 在安排加载分级时,应注意加载过程中其他截面内力亦应逐渐增加,且最大内力不应超过控制荷载作用下的最不利内力。
⑤ 根据具体条件决定分级加载的方法,最好每级加载后卸载,也可逐级加载达最大荷载后逐级卸载。
(2) 车辆荷载加载分级的方法
① 逐渐增加加载车数量。
② 先上轻车后上重车。
③ 加载车位于内力影响线的不同部位。
④ 加载车分次装载重物。
以上各法亦可综合采用。
(3) 加卸载的时间选择与控制
为了减少温度变化对试验造成的影响,加载试验时间以晚10 时至晨6时为宜,尤其是采用重物直接加载,加卸载周期比较长的情况下只能在夜间进行试验。对于采用车辆等加卸载迅速的试验方式,如夜间试验照明等有困难时亦可安排在白天进行试验,但在睛天或多云的天气下进行加载试验时每一加卸载周期所花费的时 间不宜超过20mm。
为控制加卸载稳定时间,应选择一个控制测点(如简支梁的跨中挠度或应变测点),在每级加载(或卸载)后立即测读一次,计算其与加载前(或卸载前)测读值之差值&,然后每隔2min测读一次,计算2min前后读数的差值AS,并按下式计算相对读数差值,当m值小于1%或小于量测仪器的最小分辨值时即认为结构基本稳定,可进行各观测点读数。但当进行主要控制截面最大内力加载程序时荷载在桥上稳定时间应不少于5min,对尚未投入营运的新桥应适当延长加载稳定时间。
某些桥梁如拱桥,有时当拱上建筑或桥面系参与主要承重构件的受力,因连接较弱或变形缓慢,造成测点观测值稳定时间较长,如结构的实测变位(或应变)值远小于计算值,则可将加载稳定时间定为20〜30min。
(4) 加载分级的计算
根据各加载分级按弹性阶段计算加载各测点的理论计算变位(或应变),以便对加载试验过程进行分析和控制。
计算采用的材料弹性模量,如已作材料试验则用实测值,否则可按规范选用。
3. 加载设备的选择
静载试验加载设备可根据加载要求及具体条件选用,一般有以下两种加载方式:
(1) 可行式车辆
可选用装载重物的汽车或平板车,也可就近利用施工机械车辆。选择装载的電物时要考虑车箱能否容纳得下,装载是否方便。装载的重物应置放稳妥,以避免车辆行驶时因摇晃而改变重物的位置。
采用车辆加载优点很多,便于调运和加载布置,加卸载迅速等。采用汽车荷载既能作静载试验又能作动载试验,这是较常采用的一种方法。
(2) 重物直接加载
一般可按控制荷载的着地轮迹先搭设承载架,再在承载架上堆放重物或设置水箱进行加载,如加载仅为满足控制截面内力要求,也可采取直接在桥面堆放重物或设置水箱的方法加载。承载架 的设置和加载物的堆放应安全、合理.能按要求分布加载重M,并不使加载设备与桥梁结构共同承载而形成“卸载”现象。
重物直接加载准备工作量大,加卸载所需周期一般较长,交通中断时间亦较长,且试验时温度变化对测点的影响较大,因此宜于安排夜间进行试验。
此外其他一些加载方式也可根据加载要求因地制宜采用。
4. 加载物的称重
可根据不同的加载方法和具体条件选用以下方法:
(1) 称重法
当采用重物直接在桥上加载时,可将重物化整为零称重后按逐级加载要求分堆置放,以便加载取用。
当采用车辆加载时,可将车辆逐轴开上称重台进行称重,如没有现成可供利用的称重台,可自制专用称重台进行称重。
(2) 体积法
如采用水箱加载,可通过测量水体积来换算水的重量3
(3) 综合计算法
根据车辆出厂规格确定空车轴重(注意考虑车辆零配件的更 换和添减,汽油、水、乘员重量的变化)。再根据装载重物的重量及其重心将其分配至各轴。装载物最好采用规则外形的物体整齐码 放或采用松散均匀材料在车箱内摊铺平整。以便准确确定其重心位置。
无论采用何种确定加载物重量的方法,均应作到准确可靠,其称重误差最大不得超过5%。最好能采用两种称重方法互相校核。
四、测点设置与观测
1. 测点布设
(1) 主要测点的布设
测点的布设不宜过多,但要保证观测质量。有条件时•同一测点可用不同的测试方法进行校对,一般情况下,对主要测点的布设 应能控制结构的最大应力(应变)和最大挠度(或位移)。几种常用桥梁体系的主要测点布设如下:
① 简支梁桥
跨中挠度,支点沉降,跨中截面应变。
② 连续梁桥
跨中挠度,支点沉降,跨中和支点截面应变。
③ 悬臂梁桥
悬臂端部挠度,支点沉降,支点截面应变。
④ 拱桥
踞中、+处挠度,拱顶、+拱脚截面应变。
挠度观测测点一般布置在桥中轴线位置。截面抗弯应变测点应设置在截面横桥向应力可能分布较大的部位,沿截面上、下缘布设,横桥向测点设置•般不少于3处,以控制最大应力的分布。
当采用测定混凝土表面应变的方法来确定钢筋混凝土结构中钢筋承受的拉力时,考虑到混凝土表面已经和可能产生的裂缝对观测的影响,因而测点的位置应合理进行选择(见附录3),如凿开混凝土保护层直接在钢筋上设置拉应力测点,则在试验完后必须修复保护层。
(2) 其他测点的布设
根据桥梁调查和检算工作的深度,综合考虑结构特点和桥梁目前状况等可适当加设以下测点:
① 挠度沿桥长或沿控制截面桥宽方向分布。
② 应变沿控制截面桥宽方向分布。
③ 应变沿截面高分布。
④ 组合构件的结合面上、下缘应变。
⑤ 墩台的沉降、水平位移与转角,连拱桥多个墩台的水平位移.
⑥ 剪切应变。
⑦ 其他结构薄弱部位的应变。
⑧ 裂缝的监测测点。
一般应实测控制断面的横向应力增大系数,当结构横向联系构件质量较羞,联接较弱时则必须测定控制截面的横向应力增大系数。简支梁跨中截面横向应力增大系数的测定,既可采用观测跨中沿桥宽方向应变变化的方法,也可采用观测跨中沿桥宽方向挠度变化的方法来进行计算或用两种方法互校。
对于剪切应变测点一般采取设置应变化的方法进行观测。为了方便,对于梁桥的剪应力也可在截面中性轴处主应力方向设置单一应变测点来进行观测。梁桥的实际最大剪应力截面应设置在支座附近而不是支座上。
(3) 温度测点的布设
选择与大多数测点较接近的部位设置1〜2处气温观测点,此外可根据需要在桥梁主要测点部位设置一些构件表面温度观测点。
2. 仪表的选择
量测仪表的精度要求:静载测定时应不大于预计量测值的5%,动载测定时应不大于预计量测值的10%。
机械式仪表具有安装与使用方便、迅速、读数可靠的优点,但需要搭设观测脚手架,而且使用试验人员较多;电测仪表安装调试比较费事,影响测试精度的因素也较多,但测试、记录均比较方便、安全。应根据预计的董测值并考虑仪表的设置和观测条件来选择适用的仪表。
动载试验量测动应变可采用动态电阻应变仪并配以记录仪器,量测振动可选用低频拾震器并配低频测振放大器及记录仪器,量测动挠度可选用电阻应变位移计配动态电阻应变仪及记录仪器。
(1) 仪表的检査与安装
试验需用的所有仪表均应在测试前进行检査,并按仪表本身的要求进行标定和必要的误差修正a
采用电阻应变仪进行应变测试时,粘贴电阻片的人员应具有一定的经验,要根据现场温度、湿度等条件选择贴片及防潮工艺,尽量选用与观测应变部位相同的材料制作温度补偿片。补偿片应尽量靠近应变片设置。
采用千分表观测结构表面应变时,在不影响观测的前提下,应尽量使千分表轴线靠近结构表面,以减小测试误差。
仪表、设备容易受到碰撞、扰动的部位应加保护设备,系保险绳或设置醒目的标志,以保证仪表正常工作。
仪表安装工作-•般应在加载试验前完成,但亦不应安装过早,以免仪器受损和遗失。注意仪表安装位置和方法的正确与否。安装完毕应由有测试经验的人员进行检査,有时可利用过往车辆来观察仪表工作是否正常。
(2)稳定观测
仪表安装完毕后,一般在加载试验之前应对各测点进行一段时间的温度稳定观测。中间可每隔lOmin读数一次,观测时间应尽量选择与加载试验相同的气候条件或选择加载试验前夕。这一观测成果用于衡量加载试验时外界气候条件对观测造成的误差影响范围,或用于测点的温度影响修正。
3.仪表的测读与记录
仪表的测读应准确、迅速,并记录在专门的表格上,以便于资料的整理和计算。记录者应对所有测点量测值变化情况进行检查,看其变化是否符合规律,尤其应着重检査第一次加载时董测值变化情况。对工作反常的测点应检查仪表安装是否正确,并分析其他可能影响其正常工作的原因,及时排除故障。对于控制测点应在故障排除后,重复一次加载测试项目。
当采用记录纸记录动应力、动挠度或振动时,应将被记录的曲线调节至合适的幅度,使其既不超越记录纸的范围,又有适当的精度。
4. 裂缝观测
加载试验中裂缝观测的重点是结构承受拉力较大部位及原有裂缝较长、较宽的部位。在这些部位应测量裂缝长度、宽度,并在混凝土表面沿裂缝走向进行描绘。加载过程中观测裂缝长度及宽度的变化情况,可直接在混凝土表面进行描绘记录,也可采用专门表格记录。加载至最不利荷载及卸载后应对结构裂缝进行全面检査, 尤其应仔细检査是否产生新的裂缝,并将最后检査情况填人裂缝 观测记录表,必要时可将裂缝发展情况绘制在裂缝展开图上。
五、加载试验的控制与安全措施
试验指挥人员在加载试验过程中应随时掌握各方面情况,对加载进行控制。既要取得良好的试验效果,又要确保人员、仪表设备及桥梁的安全,避免不应有的损失。
1•加载的控制
应严格按设计的加载程序进行加载,荷载的大小、截面内力的大小都应由小到大逐渐增加,并随时作好停止加载和卸载的准备。
2•测点的观测
对加载试验的控制点应随时观测,随时计算并将计算结果报告试验指挥人员,如实测值超过计算值较多,则应暂停加载,待査明原因再决定是否继续加载。试验人员如发现其他测点的测值有较大的反常变化也应査找原因,并及时向试验指挥人员报告。
3. 加载过程的观察
加载过程中应指定人员随时观察结构各部位可能产生的新裂缝,注意观察构件薄弱部分是否有开裂、破损,组合构件的结合面是否有开裂错位,支座附近混凝土是否开裂,横隔板的接头是否拉裂,结构是否产生不正常的响声,加载时墩台是否发生摇晃现象等等。如发生这些情况应报告试验指挥人员,以便采取相应的措施^
4. 终止加载控制条件
发生下列情况应中途终止加载:
(1) 控制测点应力值已达到或超过用弹性理论按规范安全条件反算的控制应力值时。
(2) 控制测点变位(或挠度)超过规范允许值时。
(3) 由于加载,使结构裂缝的长度、缝宽急剧增加,新裂缝大量出现,缝宽超过允许值的裂缝大量增多,对结构使用寿命造成较大 的影响时。
(4) 拱桥加载时沿跨长方向的实测桡度曲线分布规律与计算值相差过大或实测挠度超过计算值过多时。
(5) 发生其他损坏,影响桥梁承载能力或正常使用时。
六、加载试验资料的整理
1. 静载试验资料的整理
(1) 试验资料的修正
a•测值修正
根据各类仪表的标定结果进行测试数据的修正,如机械式仪表的校正系数,电测仪表的率定系数、灵敏系数,电阻应变观测的导线电阻影响等等。当这类因素对测值的影响小于1%时可不予修正。
b.温度影响修正
温度对测试的影响比较复杂。结构构件的各部位不同的温度变化,结构的受力特性,测试仪表或元件的温度变化,电测元件的温度敏感性、自补性等等均对测试精度造成一定的影响。逐项分析这些影响是困难的,一般可采用综合分析的方法来进行温度影响修正,即利用加载试验前进行的温度稳定观测数据,建立温度变化(测点处构件表面温度或空气温度)和测点测值(应变和挠度)变化的线性关系,然后按下式进行温度修正计算。
温度变化量的观测对应变宜采用构件表面温度,对挠度宜采用气温。温度修正系数尺t应采用多次观测的平均值,如测值变化与温度变化关系不明显时则不能采用。
由于温度影响修正比较困难,一般不进行这项工作,而采取缩短加载时间,选择温度稳定性较好的时间进行试验等办法尽量减小温度对测试精度的影响。
c.支点沉降影响的修正
当支点沉降量较大时,应修正其对挠度值的影响,经过荷载试验的桥梁,应根据整理的试验资料,分析结构的工作状况,进一步评定桥梁承载能力,修改和补充。