CN102519748A - 梁式钢桥沥青铺装层实桥加载及长期监测试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种梁式钢桥沥青铺装层实桥加载及长期监测试验方法，具体步骤为：上下测试层的传感器布设位置需“上下对应”，组成一个完整的测试体系。以安装埋设传感器的测点沿横桥向或纵桥向按照一定距离划分网格，交点作为加载点位。不同层位传感器安装埋设方法有所差别，主要有位置标记、表面处理、传感器安装、数据线整理等步骤。加载试验可分为静载、动载、刹车试验。加载试验过程中，应严格控制好时间，精确至秒，做好记录工作。静载试验：加载车辆以缓慢速度行驶至加载点位后，熄火保持静止至少5min。动载试验：加载车辆分别以不同的行驶速度匀速通过加载点位。刹车试验：加载车辆分别在不同的行驶速度下进行刹车，通过事先测定的刹车距离使测试点位处于刹车范围内。以一定的时间间隔、季节差异或交通量累计数量进行钢桥面板钢结构及沥青铺装层内外应变、温度等性能长期监测。本方法设计合理，操作简便易行，可应用于各等级公路的梁式钢桥面沥青铺装层中。

Description

梁式钢桥沥青铺装层实桥加载及长期监测试验方法

技术领域

本发明属于公路与城市道路领域，具体涉及一种梁式钢桥沥青铺装层实桥加载及长期监测试验方法。

背景技术

正交异性钢桥面沥青铺装层因其局部刚度小、挠度及变形大、传热快、桥面底部加劲纵横梁或肋多、易腐蚀等特性，使得钢桥面沥青铺装比一般混凝土桥梁沥青铺装及道面结构层受力更为复杂，工作环境与使用条件也严酷得多。钢桥面板在车辆荷载作用下易产生较大的局部变形，从而导致其上的沥青铺装产生裂缝，钢板局部变形不仅与其厚度、纵横加劲肋厚度及间距有关，而且也与加铺其上的沥青铺装层的刚度有关。因此，有必要对钢桥面板及沥青铺装层在静载、动载作用下的变形情况以及自然因素条件下的状况进行系统研究和分析，以便为钢桥面沥青铺装层的结构设计提供可靠的力学依据。

国外钢桥面沥青铺装试验桥研究开展较早。英国1963年利用建造Severn桥的机会，在重交通干道上采用与实桥类似的两块钢桥板建造了相应的试验段，并进行了为期10年的跟踪与研究。日本1976年在国道16号千叶县往长浦地（木更津）方向的公路上铺设了钢床板试验段，即长浦地试验桥，根据不同双层式铺装层设计分为四个工区，在1977年至1983年进行了为期6年的观测试验。瑞典为选择适合于滨海高桥的防水与铺装体系，于1993年开展了相应的试铺工作，试验桥位于Pitsund地区的BD1337号桥上，该桥采用正交异性钢桥面系，共设置了8种铺装结构，1993年6月铺装完成后开展了为期4年的观测与调查工作，主要包括：裂缝观测、粘结强度测试、温度测试等。

国内钢桥面沥青铺装试验桥研究起步相对较晚，相关单位先后采取了在室内修筑正交异性钢桥面铺装环道或直道模型进行加速加载测试的方式对比不同铺装结构的性能。方萍等对由盖板、5个开口纵肋和2个倒T形横梁组成的钢桥面模型进行了室内测试，包括盖板挠度测试；盖板顶面、底面的应变和沥青铺装表面应变测试，并分别在加铺沥青铺装前后两种情况下的弹性范围内进行两种工况下（即荷载大小和作用面积保持不变，但荷载作用位置改变）的试验。童乐为等对大型钢桥面板模型进行了静力试验和有限元分析。润扬大桥钢桥面铺装课题组在“浇注式沥青混合料+环氧沥青混合料”铺装结构应用于实际工程之前，选择冻青桥作为试验桥进行工程效果验证。试验桥的钢箱梁设计方案依据润扬长江公路大桥铺装结构确定，设计钢桥面板厚度14mm，横隔板厚度10mm，间距有两种，分别为3.75m和3.22m，加劲肋尺寸300mm×280mm×8mm，铺装层为双层结构（下层：25mm浇注式沥青混合料，上层：35mm环氧沥青混合料）。试验桥建成后的使用环境与条件等因素和润扬长江公路大桥的诸多因素相似，在每一铺装层摊铺前进行了应变、位移、温度等试验。

以上国内外沥青铺装试验钢桥方面的相关研究虽然取得了一定的成果，但仍存在不足：室内试验钢桥模型不能完全准确再现钢桥在实际交通及环境条件下的真实变形、受力等状况；由于当时技术手段的局限，室外研究大都停留在铺装层表面观测，而没有进行过铺装层内部监测。所以，目前对实桥沥青铺装层进行系统化的加载试验及长期监测还处于空白阶段。

通过对实桥铺装层进行完善的加载测试，可检验钢桥面沥青铺装体系的承载性能以及铺装结构体系设计理论的正确性，检验质量是否符合设计要求。通过对铺装结构变形性能及使用状况的跟踪观测及评价，可为今后相关钢桥面铺装结构体系的设计积累科学数据。而且，作为钢桥面铺装力学计算和设计理论的试验验证，通过将实测数据与钢桥面铺装力学分析进行比较，修正桥面铺装层的有限元几何模型和力学模型，以对正交异性钢板和铺装层进行设计优化。因此，对实桥沥青铺装层进行加载试验及长期监测是一项具有理论与实际意义的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于提出一种梁式钢桥沥青铺装层加载及长期监测试验方法。

本发明提出的梁式钢桥沥青铺装层加载及长期监测试验方法，包括传感器布设位置、加载车辆参数测试、静动载及刹车加载测试、数据采集及分析等要求；具体步骤如下：

（1）梁式钢桥沥青铺装层实桥加载方法

①测点选择：以桥面板底面、顶面，铺装层底面、铺装层间、铺装层表面，空气（温度）等中特殊结构位置处，如横隔板或1/2横隔板与U肋（边缘、中心）、纵梁或腹板等的结合点作为测点，同一位置不同层位中的布点应上下对应。

②传感器选择：除了常规考虑因素（如量程、分辨率）外，传感器选择依据主要是其变形与所测物质的同时性、传感器的稳定性以及存活率；还需考虑道路施工中的高温、机械造成的推移等因素。

③传感器布设：首先根据步骤①中已选择测点准确确定传感器的位置，为了确保精确并上下对应，可采用全站仪定点；通过打磨或擦拭清理干净表面，并作严格标记。然后进行传感器安装埋设，根据不同安装部位，可采取焊接、粘贴、开槽等方式，在此过程中，传感器应接通到数据采集仪上，时刻观察是否发生异常变化，如有问题应及时拆除重新进行安装。传感器两端及要在铺装层中通过部分的数据线建议用耐热胶带等包裹，以抵御摊铺的沥青混合料的高温，并呈连续S形引出桥面，并做好标记。外露的数据线需套上金属软管进行保护。

④加载试验：需对加载车辆进行轴重、轴距、轮距及接地面积等参数测量。以安装埋设传感器的测点沿横桥向或纵桥向按照一定距离划分网格，交点作为加载点位。同时，需综合考虑实际行车的轮迹带位置以及加载车辆的轮距等因素。加载试验可分为静载、动载及刹车试验等。静载试验中，车辆以缓慢速度行驶至加载点位后，熄火保持静止至少5min，平行试验至少两次。动载试验中，加载车辆分别以不同的行驶速度通过加载点位，每个速度下进行3次平行试验，以确保试验数据的准确性。刹车试验中，加载车分别在不同的行驶速度下进行刹车，通过事先确定的刹车距离使测试点位于刹车范围内，在每个行驶速度下进行3次平行试验。加载试验过程中，应严格控制好时间，精确至秒，做好记录工作。

（2）梁式钢桥沥青铺装层长期监测试验方法

以一定的时间间隔、季节差异或交通量累计数量进行钢桥面钢板结构及铺装层内外应变、温度等性能阶段性监测。有条件时，可连续监测，此时建议布设无限远程遥控监测。

本发明的有益效果在于：本方法设计合理，操作简便易行，可应用于各等级公路的梁式钢桥面沥青铺装层中。

附图说明

图1为实施例2加载车辆参数测试。

图2为实施例2中加载试验。

图3为实施例2中加载试验。

图4为实施例3中表面应变传感器布置。

图5为实施例3中周浦塘桥静载工况。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：梁式钢桥沥青铺装层实桥加载及长期监测试验方法

1）梁式钢桥沥青铺装层实桥加载试验方法

（1）测点选择

①测试层位：桥面板底面、顶面；沥青铺装层底面、层间、表面；空气（温度）。②测点：处于不同测试层位中的特殊位置点，如横隔板、1/2横隔板等横向结构与U肋（边缘、中心）、系梁、纵梁、腹板等纵向结构的结合点；同一位置不同层位中的布点应“上下对应”。

（2）传感器选择

除了常规考虑因素（如量程、分辨率）外，传感器选择依据主要是其变形与所测物质的‘同时性’、传感器的稳定性以及存活率。

由于道路施工的特殊性，铺装层中传感器需能承受沥青混合料高达190℃的施工温度以及摊铺机、压路机、交通荷载的压力；与传感器连接的电线或光缆需满足摊铺机、压路机的推移，应满足一定的抗拉强度；由于桥面铺装一层厚度约为4cm，建议传感器高度不超过1cm以减少对铺装层结构的影响。

推荐使用光纤光栅类传感器。有条件时，可采用远程遥控模式。

（3）传感器布设

不同层位传感器安装埋设方法有所差别，分述如下。

①桥面板底面传感器应在未封底前进行安装，步骤包括：位置标记、钢板打磨、传感器焊接和数据线整理。

位置标记：根据布设方案准确确定传感器的布设位置，清理干净钢板表面，并作严格标记。

钢板打磨：对标记点位的钢板进行打磨，去除表面油漆，打磨区域以超出传感器所需尺寸1cm为宜。

传感器焊接：用焊枪进行传感器焊接，注意传感器不能偏离纵向或横向方位；在焊接过程中，传感器应接通到数据采集仪上，时刻观察是否发生异常变化，如有问题应及时拆除重新进行焊接。

数据线整理：数据线需做好标记，线路尽量简易清晰，每隔约30cm用磁铁及线夹子固定至钢板上。为了后续测试方便及同时性，桥底面数据线应根据现场情况进行布局及安置设计，以使测试试验时可将桥底面数据线引至桥面上，与铺装层中传感器数据线汇合。确认上述步骤无误后，用同种油漆对传感器及数据线进行涂刷。

 ②桥面板顶面传感器在喷砂除锈后进行安装，步骤包括：位置标记、传感器焊接和数据线整理。 

位置标记：通过图纸计算、参照物测算等确保桥面板顶面及底面测点上下对应。准确标记传感器的位置，并根据现场情况在栏杆或附近其它不易涂改的附属物上作严格编号和标记，以备后续传感器埋设、实桥加载及数据采集时辨别使用。

传感器焊接：固定于桥面板顶面的传感器焊接于钢板上，同①中方法。

数据线整理：传感器两端及需埋设于铺装层底部的部分数据线，建议用耐热胶带等包裹，以抵御摊铺时沥青混合料的高温，并呈连续S形固定于桥面板上，以抵御施工机械造成的推移。引出桥面的数据线需做好标记。

③铺装层底面传感器安装，步骤包括：位置标记、传感器安装和数据线整理。

位置标记及数据线整理同②中方法。

铺装层底面的传感器安装有两种方法。“先埋法”：用强力胶将传感器于摊铺前粘贴至测点位置。此方法虽然比较方便，但是由于沥青混合料摊铺时的高温及施工机械的推移，可能会造成传感器移位甚至破坏，所以推荐采用“后埋法”，即沥青混合料摊铺、初压完成后，在测点位置迅速开槽，传感器槽需深入层底，线槽深度可容纳数据线即可。

④铺装层层间的传感器随施工过程，按照布置间距、数量和方位进行埋设，步骤包括：位置标记、线槽开挖、传感器安放、填料埋设和数据线整理。

位置标记及数据线整理同②中方法。

线槽开挖：压路机碾压至沥青混合料不出现较大推移时，在线槽开挖处放置一根直径与线槽大小相当的钢筋，压路机后续的碾压作用使钢筋被压入铺装层中而形成断面规整的线槽。传感器槽及数据线槽拐角处需辅以手工开挖，传感器槽深度应保证后续放置的传感器主体位于铺装层间高度上。线槽开挖好之后仔细清扫传感器槽和线槽，扫除大颗粒和尖锐颗粒，防止刮伤传感器和数据线。

传感器安放：将传感器平稳地放入传感器槽，保持平纵。数据线不可绷直，而应尽量松散地布置于线槽中。

填料埋设：线槽中撒布适量热的沥青混合料细料以保护数据线不被大颗粒尖锐集料割破。数据线沿线槽铺设，并引到桥面铺装结构之外，其上需先用细料回填，再用沥青混合料覆盖，并辅以手工击实至铺装下层的高度。在铺装上层摊铺机施工至测点前约5~10m时，取摊铺机中沥青混合料覆盖于传感器及数据线布置处，并稍作击实。 

⑤铺装层表面应变在加载测试前进行安装，步骤包括：位置标记、传感器粘贴和数据线布设。

位置确定：根据先前标记确定测点位置，并清理表面平整。

传感器粘贴：将传感器主体及两端用绝缘胶带包裹，用强力胶牢固粘贴于测点位置。建议：表面传感器需至少于加载前2h粘贴以达到稳定粘结强度。

数据线布设：用胶带将数据线固定于铺装层表面以减少车辆的揉搓推移，做好标记。

传感器安装埋设过程中，需注意以下几点：

①以上传感器布设安装过程中应贴好标签，作好记录。

②外露的数据线需套上金属软管进行保护。

③测点定位时，为了确保精确并上下对应，可采用全站仪。

④根据现场情况，数据线可归并于防撞墙线路中，也可设置铁箱集中存放。

⑤要定期查验，保证安全完好。

（4）实桥加载试验

加载试验主要有以下几方面工作：

①加载车辆参数测试。当加载车辆装上预定重量货物后，先通过地磅粗略称重，进行货物重量粗调。然后利用试验室称重仪对加载车辆进行前后轴重精确称量；进行轴距测量、轮距测量；使用复写纸叠加方格纸的方法进行前后轮接地面积测量。

②加载点布置。以安装埋设传感器的测点沿横桥向或纵桥向按照一定距离划分网格，交点作为加载点位。同时，需考虑实际行车的轮迹带位置以及加载车辆的轮距。综合分析以上因素后，用标记笔标识出加载点。

③加载试验过程。加载试验可分为静载、动载、刹车试验等。加载试验过程中，应严格控制好时间，精确至秒，并做好记录工作。

静载试验：加载车辆以缓慢速度行驶至加载点位后，熄火保持静止至少5min，平行试验至少两次。

动载试验：加载车辆分别以不同的行驶速度（如20km/h、40km/h、60km/h、80km/h等）匀速通过加载点位。每个速度下进行3次平行试验，以确保试验数据的准确性。

刹车试验：加载车辆分别在不同的行驶速度（如20km/h、40km/h、60km/h、80km/h等）下进行刹车，通过事先确定的刹车距离使测点位于刹车范围内，在每个行驶速度下进行3次平行试验，以确保试验数据的准确性。

）梁式钢桥沥青铺装层长期监测试验方法

①以一定的时间间隔或季节差异，或交通量累计数量进行钢桥面钢板结构及铺装层内外应变、温度等性能阶段性监测。

②条件允许时，可实施连续监测，此时建议布设无限远程遥控。

实施例2：将实施例1所述方法用于某地昌吉东路大桥实桥加载试验

昌吉东路大桥分别于2010年7月28日及2011年5月5日进行了两次实桥加载试验，采用光纤光栅传感器进行了应变及温度测试。加载车辆参数测试见图1，后轴重符合BZZ-100。选择结构受力控制截面（横隔板、两横隔板间1/2、U肋边缘、两U肋间1/2、U肋中心等）进行加载试验，实测各测试截面在试验荷载作用下结构的应变，通过分析实测结果来评定结构的工作状态和承载能力。进行了24h连续温度测试，通过埋设的温度传感器，采集了桥面板底面、桥面板顶面（铺装层底）、铺装层间、铺装层表面、空气温度。

应变传感器布设方案：桥面板底部应变传感器布置方案：在两个横隔板中间1/2直线上测试纵向应变，应变传感器分别布置于系梁底面中心位置、第二个U型肋底部中心、第二三U型肋1/2中间桥面板上、第五个U型肋底部中心及其边缘桥面底、纵梁底面中心位置。每一排中光纤光栅应变传感器6个，并联连接至一个1×6的分路盒中，光纤光栅温度传感器1个，布置于应变传感器附近并串联至距离最近的一个应变传感器中。横隔板处测试横向应变，传感器布设同横隔板1/2处。与系梁所对应的桥梁顶面钢板上焊接QSS100光纤光栅表面应变计，测试钢板应变。铺装结构中应变传感器布置方案：在两个横隔板中间1/2直线上测试横向应变，应变传感器分别布置于第二个U型肋底部中心、第五个U型肋底部中心的面层对应位置。在横隔板处直线上测试纵向应变，应变传感器位置同上。

温度传感器布设方案：桥底面布置光纤光栅温度传感器2个；铺装结构中SMA层底及环氧沥青混合料层底，在两横隔板处及两横隔板中间各埋设1个Pt100温度传感器，距离机非分隔栏杆横向1m。铺装层表面与横隔板及两横隔板1/2布设温度传感器相对应的位置各放置一个Pt100，以测试路表温度。同时将两个温度传感器系在测试点附近两桥梁吊杆上，高于桥面至少2m，以测试空气温度。

第一次加载试验主要有以下两方面：静载试验、动载试验。静载试验共分四种工况：前后轴分别通过1/2横隔板及横隔板；动载试验共分三种工况，加载车辆时速分别为5km/h、20km/h、40km/h。第二次加载试验（见图2）在第一次加载试验经验的基础，主要在以下方面进行了改进提高：增加了12种静载试验工况，即共16种工况：前后轴分别通过横隔板、距横隔板0.2m、距横隔板0.4m、距横隔板0.8m、1/2横隔板、距1/2横隔板0.6m、距1/2横隔板1.1m、距1/2横隔板1.6m；动载试验速度提高，控制为20km/h、40km/h、60km/h，更加符合实际交通状况；增加了刹车试验；动载试验在每个速度下进行3次平行试验，以确保试验数据的准确性；动载和刹车试验中的时间控制更加精确；二次加载试验前做了动载速度及刹车距离测试，以确保试验安全及加载试验方案合理。

实施例3：将实施例1所述方法用于某地周浦塘桥实桥加载试验

周浦塘桥于2011年10月10日进行了实桥加载试验（见图3），包括应变及温度测试。加载车辆后轴重符BZZ-100。在改性SMA铺装下层底部、改性SMA铺装上层底部、铺装层表面布设横向、纵向应变传感器（见图4），测试铺装结构在不同加载条件下的横纵应变值，进行了5个测点的应变数据采集。在改性SMA铺装下层底部、改性SMA铺装上层底部、铺装层表面布设温度传感器，测试铺装结构在不同外界环境下的温度值，并同步测试空气温度。

静载试验共分为3组51个工况，每组17个工况（见图5）。第一组：前轴右侧轮胎中心通过U肋边缘所在纵向加载线，左轮中心距离腹板处表面应变传感器30cm；第二组：后轴左右外侧轮胎中心通过腹板、U肋边缘所在纵向加载线；第三组：前轴左侧轮胎中心通过腹板所在纵向加载线，右轮中心距离U肋边缘处表面应变传感器30cm。每组中所确定的轮胎分别在17个工况下时，加载车辆熄火静止5min。

Claims (1)

1.一种梁式钢桥沥青铺装层加载及长期监测试验方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）梁式钢桥沥青铺装层实桥加载方法

①测点选择：以桥面板底面、桥面板顶面、铺装层底面、铺装层间、铺装层表面、空气或温度层位中特殊结构位置处，如横隔板、1/2横隔板与U肋、纵梁或腹板等的结合点作为测点，同一位置不同层位中的布点应上下对应；

②传感器选择：除了考虑量程、分辨率外，还应考虑传感器变形与所测物质的同时性、传感器的稳定性以及存活率，以及考虑道路施工中的高温、机械造成的推移因素；

③传感器布设：首先根据步骤①中已选择测点准确确定步骤②所选择传感器的位置，为确保精确并上下对应，采用全站仪定点；通过打磨或擦拭清理干净所测物质表面，并作严格标记，然后进行传感器安装埋设，根据不同安装部位，可采取焊接、粘贴或开槽等方式，此过程中传感器应接通到数据采集仪上，时刻观察是否正常，如发生异常变化拆除传感器重新进行安装；传感器两端及铺装层中通过部分的数据线用耐热胶带包裹，并呈连续S形引出桥面，做好标记，外露的数据线套上金属软管进行保护；

④加载试验：需对加载车辆进行轴重、轴距、轮距及接地面积测量；以安装埋设传感器的测点沿横桥向或纵桥向按照一定距离划分网格，交点作为加载点位，并需考虑实际行车的轮迹带位置以及加载车辆的轮距因素；加载试验分为静载、动载及刹车试验：静载试验中，加载车辆以缓慢速度行驶至加载点位后，熄火保持静止至少5min，平行试验至少两次；动载试验中，加载车辆分别以不同的行驶速度匀速通过加载点位，每个速度下进行3次平行试验，以确保试验数据的准确性；刹车试验中，加载车辆分别在不同的行驶速度下进行刹车，通过事先测定的刹车距离使测试点位处于刹车范围内，在每个刹车速度下进行3次平行试验；加载试验过程中，应严格控制好时间，精确至秒，做好记录工作；

（2）梁式钢桥沥青铺装层长期监测试验方法

以一定的时间间隔、季节差异或交通量累计数量进行钢桥面钢板结构及铺装层内外应变、温度性能阶段性监测；有条件时，进行连续监测，布设无限远程遥控监测。

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