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含平轨车的道路桥梁的性能实验
Lungten Jamtsho and Manicka Dhanasekar
摘要：本文介绍了一种含有废旧平板铁路货车作为主甲板上部结构的公路桥梁在澳大利亚昆士兰进行关于低容量、高轴荷载的性能实验，以及相关关键结果的展示。数据显示有28.88%的载货卡车的载重超过了澳大利亚桥梁规范规定的正常使用荷载。用有28.88%的载货卡车的载重超过了澳大利亚桥梁规范规定的正常使用荷载。用高速相机可以准确捕捉到平轨火车的车轮位置，并且测得的它的关键构件的挠度和应变实时同步。桥面板的应力远未达到屈服状态，同时叙述了钢筋混凝土桥面板和货车甲板之间复合铺装作用的存在。用测试的数据开发和校准了一个三维网格模型，建立了铁路货车结构的充分程度，以及在低容量道路网中，钢筋混凝土板路面在单车道桥中抵抗高轴交通荷载的积极作用。
美国土木工程师协会
数据库主题词：交通量；公路桥梁；桥面；适用性；试验；澳大利亚
关键词：小体积交通桥；大轴重；桥面；性能试验；复合作用；使用极限状态。
1 简介
根据在最新版本的澳大利亚桥梁荷载规范中的高轴重要求，许多老化的道路桥梁急需改善。（澳大利亚标准协会（SAA）AS5100 [ 2004 ]。）由于交通量在桥梁改造预算分配决策中起着关键作用，在低流量的交通网络中，许多桥在轴重和/或速度限制下仍然处于恶劣的状态，所以许多农村社区的桥梁仍处于不利状态。
近年来，使用废弃的平板轨道车来替换桥面已成为一种可能。在澳大利亚，布里斯班，昆士兰科技大学，正在对昆士兰平板轨道车进行一个类似的研究。在昆士兰管辖的罗克汉普顿区域委员会建立了一个由平板轨道车桥面和钢筋混凝土板路面组成的示范桥。由于平板轨道车作为铁路货车已经有一个负载周期的历史，即使混凝土路面板是一个新的组成成分，该平板轨道车桥面和混凝土路面板组成的复合桥面系统的正常使用也是至关重要的。因为这座桥坐落在低交通量网络中的罗克汉普顿地区委员会，所以不考虑疲劳损坏。
对桥梁进行性能测试，负载性能测试通常使用预先设定的远低于极限水平的较小的负载，一般用装载有砂石的小型卡车来进行，因此试验是低风险的。这些测试是一类无损检测，并且为桥梁的荷载响应提供视线，通过使用数据校准分析和数值模型获得的数据也可以用来评估设计荷载行为。这样的测试是在还在使用中的老化桥梁上进行的，测试也在新的桥梁结构包括由新的建筑材料或设计的桥梁中进行。哈里斯等人对一种新型夹层板桥面体系进行了实地调查。在文献中报道的许多负载测试没有捕捉到准确的负载位置，这使得传感器的响应难以解释。Doornink等人使用了一个汽车遥控器，从源头上避免了外部电磁干扰，效果很好。因为使用车轮的圆周（约1米）来定位车轮，所以车轮的位置只能非常粗糙的定位。在目前的研究中，通过图像分析软件的辅助，借助高速照相机可以准确的捕捉到车轮位置，因此负载位置也很容易与传感器响应使用的时间尺度同步。特别是，通过装载卡车以不同速度运行，平板车轨道产生的实际变形和应变已经测量出来了，可以用于校准三维梁格模型。该模型被用来评估平板车轨道是否能充分抵抗设计荷载.本文报道了测试结果，格架分析，以及一些关键的结果。
2 实验桥的描述
桥面由钢筋混凝土路面组成，在平板车轨道形成的主梁之间通过一系列的剪力钉连接，如图1所示。
图1 平轨车桥面跨中截面图
2.1 废弃的铁路车轨
其主要承重构件是由平板轨道车组成的一个跨度为10.458米的变截面箱梁。平板车轨道跨中和端部的横截面图分别如图2 a和b所示。可以看出，平板轨道车不是关于主箱梁对称的；然而，通过连接两个平板轨道车（图1）得到一个对称的桥面。主纵箱梁为660毫米深，变细到341*400毫米宽（屈服强度为250兆帕）。每个平板轨道车包含两个次级Z形梁，在每个纵向边缘隔2.54米分开。在横向方向平板轨道车由六个倒T形十字梁和中央箱梁焊接在一起形成。倒T形截面梁在跨中区域采用八通道进行布筋。虽然这些截面尺寸比爱荷华铁路货车小得多，但是通过在实验室进行的全面静载试验，废弃昆士兰平板轨道车已经建立了拥有足够的性能抵抗AS5100（SAA 2004）设计荷载（Dhanasekar和bayissa 2011）。为了检验退化刚度，平板轨道车进行了冲击锤试验，以发现它的坚固性。这一发现也通过无损超声测试得到证实，用来确定由于腐蚀导致的材料厚度的损失。
图2 平轨车桥型截面：（a）中部截面图；（b）端部截面图
平板轨道车甲板系统是由一系列的折叠板型材和主箱梁，边Z形梁，以及倒T形梁沿纵向和横向隔平均160 mm间距焊接形成。这些折叠板不能抵制施加的车轮荷载，因此局部冲切在设计中是被忽略不计的；他们的存在有助于减少浇筑模板时混凝土的用量.
因为一个单一的平轨车轨道的宽度（2.54m）达不到4.2米的单车道宽，根据标准AS5100规定（SAA 2004），两个平轨车装置分别如图1所示连接在一起。在现场组装时，倒T形梁在离散位置进行连接。平轨车在运输到现场之前，进行喷砂和油漆。剪切螺柱（150毫米长，直径16毫米的柄，300兆帕级钢）焊接到主箱梁的法兰上，纵向间距为120毫米，以使钢筋混凝土和平轨车之间形成复合作用。
2.2 钢筋混凝土路面
钢筋混凝土路面板设计为一个简支单向板搁在两个主箱梁上。它的中心厚度为250毫米（32兆帕级），两端厚度为200毫米，其限高为450毫米，限宽为500毫米（图1）。平板轨道车的板架结构减小了在浇筑混凝土时对脚手架的需求性。
2.3支撑体系
支撑系统由钢筋混凝土桥台搭在两桩（直径900毫米times;6.5m长度）上组成，各自打入地面。在桥两端的主箱梁上安装有直径为40毫米的剪力销（图3）。该剪力销约束平板轨道车在纵向和横向的移动，不影响桥梁的隆起。为了防止因洪水浮力引起结构上升，联结支座和两个平板轨道车连接在一起，被栓在桥台上。十个直接支撑，每五个搭在一个桥台上，虽然在2001年一月，昆士兰发生洪水期间，该桥被淹没了几天，桥梁还是保存下来了。
图3 主箱梁连接详图
3 性能测试装置
使用一种普通三轴串联式载货汽车装载碎石进行性能负荷试验。总负荷只有AS5100设计荷载的28.88%（SAA 2004）
3.1加载
用称重桥秤得卡车载重量为0.23吨。在每一站点测试之前，用精度为0.5KN便携式称重称仔细测量每个车轮的负载。车轮负载之和通过用称重电桥在现场精确测量。测得的车轮载荷分布和车轮的布置如图4所示。可以看出，在驾驶员一侧沿卡车全长方向，车轮始终加载较重。在乘客一侧负载大约比驾驶员一侧低4.37%，从而带来意料之外的轻微不对称。
图4 测量车轮荷载
试验车在显著标记的车道线内行驶，如图5。使用的两个加载位置，即，中心加载与桥梁的纵向中心线对称,偏心载荷偏离中心线700毫米，如图5所示。这是按照Mehrkar Asl和布鲁克斯推荐布载（1997）。
图5 试验车在规定线路上形式
准确的车轮位置对评估平板轨道车在公路桥梁中的结构的充分性至关重要。因此，使用一个高速摄像头来捕捉车轮位置。图6所示。为了在记录的视频中清楚的识别卡车车轮在随后的阶段中沿桥方向的运动，在卡车车身上标记了几个关键点，用来测量卡车轴中心之间的距离。对于最大挠度和弯曲应变的测定，卡车的中轴线恰好位于桥跨的中心。至于最大剪力，在距离混凝土板边缘，卡车车轮位置后轴0.2m处。
图6 用于捕捉车轮位置的高频摄像机
3.2传感器
桥面的位移和应变采用LVDT传感器和应变计来测定。四个LVDT传感器安装在桥中跨框架的一个独立的支架上，还有四个LVDT传感器用来测量支座处的挠度（图7）。给每个脚手架凸起的地方提供足够的横向和斜向支撑杆件，以确保足够的刚性来抵抗以外的位移。桥梁支架附近的脚手架设计得像一个具有足够刚性的三脚架系统，置于刚性混凝土平台上。
图7 LVDT传感器的放置位置
线性和连作应变计分别放置在弯矩和剪力明显的地方。应变计安装在主箱梁的底部和顶部法兰上，以及其他平板轨道车构件的腹板和翼缘板上。仪表在运输过程中免受意外损坏，混凝土采用特殊方法浇筑。
图8 应变计放置的位置
4 高速摄像与数据采集系统
用一个高速摄像头和相关的计算机系统来记录卡车沿着桥梁的移动，使用ProAnalyst软件准确捕捉车轮在桥上的位置，一遍后续分析。该相机被设置在河的上游侧，垂直于桥的轴线距离为20m（图6）。用其他传感器的数据采集（DAQ）系统，使相机连接和时间同步。在卡车进桥之前，数据采集和相机同时触发。DAQ系统能够记录31个通道。一个便携式发电机在现场运行高速摄像机和相关的计算机视频数据采集。
4.1 现场荷载试验
现场负载测试卡车的速度有四种；即，一个静态测试（0公里/小时，其中卡车被停在预定的位置），一个爬行测试（约5公里/小时），和两个移动负载测试（分别为20和30公里/小时）。由于在桥两端路面突然出现的倾角和倾斜（在测试时），30公里/小时是最高的可能速度（经验丰富的卡车司机不会开的更快）。进行八种静态试验；即，最大弯矩和另一个最大剪力的测试，在构件中心和偏心负载位置各测一次。这些测试是成对进行的，确保数据的可重复性。进行了两个爬行试验（一个中心测试和一个偏心测试）。爬行测试花了很长时间；这对从相机传到计算机的视频下载有不利影响。因此，爬行测试不重复进行。进行八种负载移动测试，通过两次重复每一个中心和偏心车道驱动器，分别进行20和30公里/小时测试。总体来说，总共进行了18项测试，用时28小时，超过了4天在现场完成。
每次开始测试之前，检查LVDT的线性，对他们的校准因素进行单独验证，正确识别他们的DAQ频道号码。卡车进入桥之前，开始采集数据和摄像机记录 ，一直记录，直到卡车完全离开桥，距离至少等于其长度。这种方法有助于解决任何由于卡车在桥面和相邻路段运动被诱导放大的因素，在记录数据时，桥上不允许有其他外部干扰。
4.2 挠度响应
所有静态测试的挠度振动频率为128Hz，其他测试的频率为1000Hz。挠度痕迹包含非常有限的噪音，并与一个简单的甲板系统的预期行为是一致的，并符合预期的行为。典型的静态和运动负载痕迹分别如图9所示，也显示出通过预期的用来消除噪音的随机平均数绘制的平滑曲线。绘制平滑追踪曲线，用于确定的最大值。图10显示的是各种试验跨度中最大挠度值。
图9 LVDT传感器信号的典型轨迹
从图10可以看出，速度的作用是增加挠度，这与预期的工程力学原理的是一致的。随着卡车速度的增加，梁1和梁2的挠度也随之增加。在移动测试中，传感器与高速摄像机同步，并在卡车进入桥前同时触发。录制完视频后用ProAnalyst运动工具包装分析，以便能准确定位出卡车车轮在桥面上的位置。在视频分析中，前轮和后轮的参考点都连接在卡车车身上，以便能够同步定位车轮在沿桥跨方向的位置。根据卡车前轮在沿桥长方向的位置，确定相应的时间，并与记录的挠度和应变时间数据对应。例如，为了确定与最大挠度对应的车轮位置，及预计会产生最大弯矩的地方（距前轮8m）制定相应的时间（2.03秒）和相应的偏转时间，然后读出数据（1.40毫米）。
图10 不同时速下梁的最大挠度：（a）梁1；（b）梁2
4.3 应变响应
静态测试中搜集的应变样本率为128Hz，其他测试中的应变样本率为1000Hz。所用通道都进行单独检查、验证，并在进行负载测试前重置为零。在所有移动测试中，应变会慢慢达到峰值，并在卡车到达跨中区域时达到最大，在卡车完全离开桥的时候回到零。在所有测试的应变中，只有很少超过80，大多数测试产生的最大应变都在50-75之间。这些低应变可以归结为测试卡车的重量轻，或者平板轨道车桥面板的刚度大。测得的最大弯曲应变在跨中，如图11所示。速度对增加应变的影响是显著的，如图11a、b。
图11 不同时速下跨中最大弯曲应变：（a）梁1；（b）梁2
4.3正常运行速度下的挠度和应变
目前的测试现场条件不允许速度高于30公里/小时。然而，一旦路面得到改善，交通速度将有可能达到70公里/小时，与昆士兰夜晚道路的交通速度差不多。确定最大位移为1.6毫米（在梁1处），最大弯曲应变值为107（在梁2处），两个都出现在偏心荷载作用下。测量支点附近的剪应变，最大平均剪应变见表1。只有两个应变花（一个在支点附近的主梁腹板上）被安装在预制场，用来评估两个平板轨道车梁相似的剪切行为，因为它们都是由昆士兰国家铁路局用相同的设计，配以相近的配置得到的。梁2的剪切应变数据被忽略掉，因为卡车不能在梁2的应变花上施加最大荷载。这是因为在所有的测试中，卡车都是单向行驶的。剪应变似乎受卡车速度的影响显著。即使是轻微的速度升高导致的剪切应变，但是，任何进一步增加速度对剪应变都有轻微的影响。这似乎表明剪应变对车轮的运动更加敏感，因为车轮在卡车刚刚进入桥面时
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