不中斷交通橋梁靜載試驗的可行性分析

王振吉

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

現有橋梁在正常使用中將不可避免地受到各種因素的影響，導致部分橋梁結構在運營期間產生不同程度的損傷，使得橋梁整體承載能力降低，從而引發各種事故[1-3]。對此，為確保橋梁的安全運營，相關部門需采取有效措施對這類橋梁結構進行有效的承載能力評估。

目前，國內外多數評估橋梁承載能力最直接方法是荷載試驗，但根據《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01—2015)要求，進行橋梁荷載試驗，需要封閉所有車道。同時傳統橋梁的荷載試驗存在較多缺點，比如開支費用大、時間長、中斷交通，同時造成極大的社會影響和經濟損失。因此在全國各省的高速公路上很少進行橋梁的荷載試驗，遇到急需進行承載能力評定的橋梁也是在封閉交通情況下進行試驗[4-5]。

針對傳統荷載試驗缺點，提出一種不中斷交通狀態下的靜載試驗，并結合某實際工程，對不中斷交通狀況下進行橋梁靜載試驗的可行性進行了研究。

1 不中斷交通靜載試驗

不中斷交通靜載試驗是指在開放交通狀態下進行橋梁荷載試驗。以單向4車道橋梁為例，在保證橋梁以及試驗安全的前提下，試驗過程封閉行駛方向右側兩個車道，用于試驗加載，同時開放左側一個車道正常通行。

1.1 加載效率分析

不中斷交通靜載試驗荷載效率ηq與傳統靜載試驗計算方法一致，在《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01—2015)中要求，對(竣工)驗收試驗，ηq應介于0.85～1.05之間；否則，ηq宜介于0.95～1.05之間；本次試驗選取0.95～1.05，其中ηq按下式計算：

式中：Ss為不中斷交通靜載試驗荷載作用下，某一加載項目對應的加載控制截面內力或位移的最大計算效應值；S為控制荷載產生的同一加載試驗項目對應的加載控制截面內力或位移的最不利效應計算值；μ為按規范取用的沖擊系數值。

1.2 實測數據處理

開放車道的隨機車輛產生的動力響應是不可忽略的，試驗加載方案要考慮隨機車輛對試驗加載效率的影響，在測試階段要考慮其對橋梁測試結果準確性的影響，在試驗結果分析中要考慮對結果評定的影響，下面以部分研究內容對開放交通下橋梁荷載試驗數據的有效性進行說明。

圖1為某一橋梁開放交通荷載試驗加載過程中的主要測點應變曲線，截取一段隨機車輛進行了分析，由于采用了穩定性好的傳感器和荷載試驗信號測試分析系統，可以有效減少隨機車輛影響。

圖1 典型隨機車輛對靜載試驗測試的影響

由于有效減少了隨機車輛對荷載試驗測試的影響，因此開放交通下的荷載試驗可以替代傳統荷載試驗下的偏載工況。

2 工程實例

2.1 橋梁概況

本次試驗選取京哈高速某一跨徑為50m+6×40m+4×50m的橋梁，全長為499.66m；該橋上部結構為預應力混凝土簡支T形梁，從第1孔到第11孔，每孔9片梁；橋面凈寬為16.0m，內側設置0.85m的鋼護欄，外側設置0.5m的混凝土護欄；設計荷載為：汽車-超20級，掛車-120。

本次荷載試驗只進行偏載工況，選用三軸載重車進行加載，且控制加載車噸位為40t左右。

2.2 有限元模型

采用土木工程通用分析軟件Midas Civil建立空間梁單元有限元模型，對不中斷交通以及全封閉交通狀態下的靜載試驗進行有限元模擬試驗，有限元模型如圖2所示。

圖2 結構單元標準模型圖

根據影響線加載原理，通過不斷調整車輛位置、車重等參數，達到控制斷面荷載效率要求，得到最優的加載方案，采用等效靜力原則將選定的試驗車輛加到橋跨上，如圖3所示。

圖3 橋梁加載試驗模型圖

2.3 荷載試驗分析

本橋設計荷載效應采用偏載4車道計算，2號梁跨中設計荷載效應最大，因此2號梁跨中作為控制截面內力，故選取2號梁作為試驗荷載效率研究對象。全封閉交通和不中斷交通狀態下，偏載工況各梁跨中彎矩見表1。橫橋向荷載效率分布見圖4。

表1 橋梁荷載效率表

圖4 橫橋向荷載效率分布圖

由表1可知：在不中斷交通狀態下，2號梁最大荷載效率為0.99，與全封閉交通狀態下荷載效率相同。因此橋梁荷載效率梁受開放車道車流影響可以忽略不計，橋梁荷載效率仍然滿足規范要求。

由圖4可知：在不中斷交通狀態下，對6～9號梁加載效率影響很大，但均小于控制加載效率，對承載能力評估影響很小試驗現場見圖5、圖6。

圖5 不中斷交通試驗

圖6 全封閉交通試驗

為進一步研究不中斷交通下橋梁靜載試驗的可行性，對各梁在相應試驗荷載下的實測應變與變形進行分析。通過不中斷交通與全封閉交通的試驗結果比較，對不中斷交通靜載試驗下橋梁承載能力的影響進行分析。

根據表2及圖7可知：與全封閉交通靜載試驗相比，在不中斷交通狀態下，1～3號梁的撓度幾乎無變化，4～9號梁的撓度有較明顯增加，橋梁最大撓度無變化。

表2 橋梁撓度、應變測試結果表

圖7 橋梁撓度測試曲線

根據表2及圖8可知：與全封閉交通靜載試驗相比，在不中斷交通狀態下，1～3號梁的應變幾乎無變化，4～9號梁的應變有較明顯增加，橋梁最大應變值無變化。

圖8 橋梁應變測試曲線

3 結論

通過不中斷交通下橋梁靜載試驗，對橋梁隨機車流對荷載試驗測試的影響、荷載效率、撓度、應變等四個方面進行分析。得到以下結論：

(1)由于有效減少了隨機車輛對荷載試驗測試的影響，因此開放交通下的荷載試驗可以替代傳統荷載試驗下的偏載工況。

(2)橋梁荷載效率受開放車道車流影響可以忽略不計，橋梁荷載效率仍然滿足規范要求。

(3)在不中斷交通狀態下，荷載試驗的最大撓度、最大應變與傳統荷載試驗幾乎一致，因此通過不中斷交通狀態荷載試驗，同樣可以安全準確地評估橋梁承載能力。