基于影响线的桥梁快速荷载试验

桥梁快速荷载试验的流程  

      笔者在《毫米波雷达在桥梁检测与监测中的应用》一书中提出了基于 影响线 的桥梁快速荷载试验方法。

    基于 挠度 影响线的桥梁快速荷载试验的方法，其对桥梁承载能力的评定方法同传统静载试验方法的总体思路基本一致。在桥梁快速荷载试验方法中以挠度影响线加载计算得到的拟合值代替荷载试验中的挠度实测值，根据计算的挠度校验系数来对承载能力进行评定。  

    桥梁快速荷载试验采用高精度毫米波雷达对桥梁动挠度进行测试，经过数据分析的方法提取桥梁的挠度影响线，在挠度影响线上进行车辆加载，按照叠加的原理计算挠度的拟合值。这样就将传统荷载试验的现场多车辆加载转化成实测影响线加载，因此该方法具有简单、快速、准确等优点，具体实施流程如图1所示。  

图1 桥梁快速荷载试验方法流程图

快速荷载试验的方法及步骤  

     按照桥梁快速荷载试验的流程，快速荷载试验方法主要方法和步骤包括：桥梁荷载试验方案的制定；根据荷载试验方案进行桥梁控制截面动挠度测试；提取桥梁控制截面的挠度影响线；控制截面各测点挠度拟合值计算；计算桥梁挠度校验系数；桥梁承载能力的评定。  

1.桥梁荷载试验的方案制定

   首先收集桥梁设计、竣工及养护等历史技术资料，根据桥梁设计荷载或实际通行荷载（交通量统计）计算主梁控制截面的弯矩，根据弯矩等效原则计算实际加载车辆的重量和数量，按照逐级加载原则分级加载。本方法的荷载试验方案即为常规的桥梁荷载试验方案，具体包括：加载工况、加载车辆轴重分布、加载车布置以及各工况下桥梁挠度理论计算值。在某一加载工况下，各片主梁挠度理论计算值为f理1，f理2，f理3，f理4，f理5。  

    如某简支梁桥，横向设有5片T梁，根据常规桥梁荷载试验方案，静载试验将对称加载工况设定在跨中最大正弯矩上，横向布置2车道，横向布置对称加载车辆如图2所示。简支梁跨中最大正弯矩加载工况车辆加载分为4级，加载分级通过移动车辆位置来控制值的，第4级加载时的车辆纵向布置如图3所示。  

图2 桥梁对称加载车辆横向布置图（单位：cm）

图 3 第4级加载车辆纵向布置图

2.桥梁动挠度测试

    为提取荷载试验跨中控制截面各测点的挠度影响线，则需要在控制截面的5片主梁设5个动挠度测点（如图2所示）。动挠度测试采用无线分布式毫米波雷达测试系统进行测试，系统由毫米波雷达、无线模块、数据线、无线路由和采集终端组成。毫米波雷达在测试时，通过三脚架安放在主梁正下方的地面，将雷达发射、接收天线对准主梁底面，主梁不需要安设 角反射器 ，利用电磁波的直达波来确定测点的位置。各测点的毫米波雷达安装调平后通过控制采集终端进行现场组网调试，系统调试完毕可以进行多点动挠度的同步测试。由于动挠度时程曲线需要动态采集（采样频率不应低于结构基频的2.56倍），毫米波雷达采样频率可以达到50Hz能满足动挠度测试的要求。  

    按照桥梁快速荷载试验的方法，需要根据桥梁荷载试验的方案确定控制截面动挠度的测试方案。根据图2和图3中加载方案，挠度影响线测试需要分别得到车辆荷载在车道1、车道2分别行驶时5个测点的动挠度时程曲线。对于每一车道测试的方法为：1辆车沿对应车道匀速缓慢通过桥梁，测试每片主梁挠度测点的动挠度时程曲线，利用各测点的时程曲线分别提取各测点的挠度影响线。

3.挠度影响线的提取

    桥梁结构挠度影响线是桥梁确定截面(控制截面如桥梁跨中)或位置竖向挠度与移动荷载位置的函数图形或曲线，当沿桥梁运动时，其单位集中荷载(广义力P=1)。根据影响线的基本概念，要从动挠度时程曲线中提取挠度影响线就是通过数值分析的方法将车辆、测试环境以及测试中的噪声等引起的高频分量去除，保留准静态下的挠度 拟合曲线 。当各车道车辆单独通过时，分别采集各测点的动挠度时程曲线，然后对测点的挠度时程曲线进行拟合（采用局部加权回归），如1#测点动挠度拟合曲线如图4所示。  

图4 1#测点动挠度拟合曲线图

    由于测试车辆缓慢匀速通过桥梁，根据车辆驶入、驶出桥梁时挠度为零的边界条件，将时程曲线转换为以桥长（或测试跨跨径）为横坐标，挠度影响线为纵坐标（其单位为mm/kN），其数值等于挠度曲线的数值除以通过车辆的总重（kN）的计算值，如2#测点提取影响线如图5所示。  

图5 2#测点的挠度影响线

4 .挠度拟合值的计算方法

   桥梁快速荷载试验方法利用实测影响线加载方式，通过各车道计算得到挠度值进行叠加计算荷载试验的挠度拟合值。利用同一加载工况下，不同加载车道轴载与挠度影响线竖标相乘叠加。具体来说，对于某一加载工况，1#测点挠度拟合值计算方法为（如图5.6.6所示）：车道1车辆行驶时，1#测点影响线与车道1加载车辆的各轴载相乘累加求和得到f ₁₁ ：  

图  6   车辆轴载在挠度影响线上加载示意图  

f ₁₁  = P1 · y ₁ P2 · y ₂ P3 · y ₃         （ 1 ）  

其中， f ₁₁ ： f _ij 中 i 代表加载车道编号， j 代表测点编号；  

P _i ：加载车辆轴重， i =1 、 2 、 3 （ 3 轴加载车）；  

y _i ：车轴位置的影响线竖标值， i =1 、 2 、 3 （ 3 轴加载车）  

同理计算其它测点的挠度值 f ₁₂ ， f ₁₃ ， f ₁₄ ， f ₁₅ 。车道 2 车辆行驶时，同理计算其它测点的挠度值 f ₂₁ ， f ₂₂ ， f ₂₃ ， f ₂₄ ， f ₂₅ 。  

由此可得 1# 测点的拟合挠度值 f _{拟 1} =f ₁₁ f ₂₁ 。用同样方法可以得到其它各测点的拟合挠度值：  

f _{拟 2} = f ₁₂  f ₂₂                         （ 2 ）  

f _{拟 3} = f ₁₃    f ₂₃                      （ 3 ）

f _{拟 4} = f ₁₄    f ₂₄                       （ 4 ）  

f _{拟 5} = f ₁₅    f ₂₅                         （ 5 ）  

5.计算挠度校验系数

   挠度校验系数的数值根据有限元计算的挠度理论值和实测影响线加载得到的挠度拟合值来计算。案例中的挠度理论计算值 f _{理 1} ， f _{理 2} ， f _{理 3} ， f _{理 4} ， f _{理 5} ，以及各测点挠度拟合值 f _{拟 1} ， f _{拟 2} ， f _{拟 3} ， f _{拟 4} ， f _{拟 5} ，按下式分别计算各测点的挠度校验系数 ^[25] 。

，（ i =1 、 2 、…… 5 ，测点数； m =1 、 2 、…… 5 ） (6)  

6.桥梁承载能力评定

  根据计算出的各测点的挠度校验系数，按照《公路桥梁荷载试验规程》（ JTG/T J21-01-2015 ）表 5.7.8 中不同桥型的校验系数常值范围，根据计算出的校验系数对桥梁承载能力进行评定 。

（来源：桥安在线 ， 微土木人荐读 ）