橋梁靜載試驗車輛數(shù)計算分析

魏 敏，田長超，莊孝敏

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

橋梁靜載試驗是將標準設計荷載的等效荷載施加在橋梁結構的指定位置，對結構的應變進行檢測，根據(jù)測量結果對橋梁結構的使用性能及承載性能進行判定[6-10]。靜載試驗可以真實反映橋梁結構在設計荷載作用下的實際受力狀態(tài)，對效率系數(shù)η進行計算[11-14]。檢測結果的可靠性離不開內力計算和車輛布載方式，準確確定車輛數(shù)和布置間距對靜載試驗顯得尤為重要。

1 橋梁概況

橋梁本聯(lián)縱向配跨為38 m+2×50 m+38 m，橫向布置為0.5 m（護欄）＋11 m（行車道）＋0.5 m（護欄），橋面全寬12 m，橋面凈寬11 m。上部結構為等截面預應力混凝土連續(xù)箱梁，下部結構為柱式墩臺、鉆孔灌注樁基礎。橋面鋪裝為6 cm 厚C40混凝土、FYT-1 改進型防水層和10 cm 厚瀝青混凝土。設計荷載為汽車-超20級、掛車-120。見圖1、圖2。

圖1 橋梁立面/cm

圖2 橋梁斷面/cm

2 車道數(shù)確定原則及車輛橫向布置方式

依據(jù)有關規(guī)定[1]，按照橋面寬度進行車道數(shù)劃分，本橋橋面寬度為11 m，屬于單向行駛車道，按照最小車道寬度3.5 m進行車道數(shù)確定，當10.5 m≦W0＜14.0 m時，單向行駛橋梁，橋梁設計車道數(shù)為3條。實際通行過程中，因需要設置硬路肩，實際只布置2條行車道。設計荷載內力值計算時，切勿將車道數(shù)按照2條進行計算，會導致計算內力值偏小，加載車輛數(shù)減少，起不到靜載試驗的目的。車輛軸距見圖3，車輛荷載橫向布置見圖4。

圖3 車輛軸距/cm

圖4 車輛荷載橫向布置/cm

3 荷載工況及設計荷載作用下的內力值

本橋為4跨連續(xù)梁橋，按照規(guī)定[5]，連續(xù)梁橋的靜載試驗工況及測試截面見表1。

表1 靜載試驗工況及測試截面

采用Midas 2017建立結構受力模型[4]，建模過程嚴格按照原設計圖紙的設計跨徑、內箱尺寸、支座的位置進行單元和節(jié)點劃分。在邊界條件約束方面，上支座鋼板與箱梁之間采用剛性連接，上、下支座鋼板之間采用彈性連接、支座下鋼板和墩柱之間采用一般支承，更接近實際的對梁板的受力及變形狀況進行模擬計算。分別按照2條車道、3條車道進行布載受力計算，并將計算結果進行對比。結構受力模型見圖5。

圖5 本聯(lián)結構受力模型

3.1 主跨跨中最大彎矩值

主跨跨中彎矩最大值出現(xiàn)在65單元1/2斷面處，最大彎矩值按照2條車道布載計算為10 481.8 kN·m ，按照3條車道布載計算為15 722.4 kN·m，見圖6～圖8。

圖6 65單元1/2斷面處彎矩（2條車道布載）/（kN·m）

圖8 65單元1/2斷面處影響線

3.2 主跨支點最大負彎矩

經過力學模型進行分析，主跨支點最大負彎矩出現(xiàn)在89單元j端，最大負彎矩值按照2條車道布載計算為8 794.9 kN·m，按照3條車道布載計算為13 192.1 kN·m，見圖9～圖11。

圖9 89單元j斷面彎矩（2條車道布載）/（kN·m）

圖10 89單元j斷面彎矩（3條車道布載）/（kN·m）

圖11 89單元j斷面處的影響線

3.3 邊跨主梁最大正彎矩

邊跨主梁最大正彎矩出現(xiàn)在18單元1/2斷面處，最大彎矩值按照2條車道布載計算為9 344.1 kN·m ，按照3條車道布載計算為14 009.1 kN·m，見圖12～圖14。

圖12 18單元1/2斷面處的彎矩（2條車道布載）/（kN·m）

圖13 18單元1/2斷面處的彎矩（3條車道布載）/（kN·m）

圖14 18單元1/2斷面處的影響線

3.4 不同荷載工況下內力值及荷載效應系數(shù)η對比

對不同工況下的荷載內力值及荷載效應系數(shù)η進行對比比較，結果見表2。

表2 不同荷載工況下內力值及荷載效應系數(shù)η對比

從表2可得，將試驗加載車道數(shù)由設計標準3條車道變?yōu)閷嶋H通行2條車道來進行荷載試驗，荷載效應系數(shù)η由1降為0.67，不滿足對交、竣工荷載驗收試驗的荷載效率系數(shù)η宜介于0.85～1.05[5]，其他荷載效率系數(shù)η宜介于0.95～1.05的相關規(guī)定。

4 車輛數(shù)確定

為避免數(shù)據(jù)的重復性，后續(xù)計算過程按照3條車道荷載內力值進行分析，按照3種工況彎矩最大值進行車輛數(shù)計算，因車輛加載時，車輛本身有3個軸，輪軸之間存在間距，車輛相互之間也存在安全距離。將所有車輛荷載都集中加載到65單元1/2斷面處不現(xiàn)實，考慮實際情況，因車輛后軸較重，盡量布置在影響線較大值附近。按照車尾對車尾的方式，兩車后軸相距4 m，考慮影響線頂端向兩側分布，一側3 m，將車輛偏離65單元1/2斷面處3 m的距離（影響線數(shù)值7.1）進行加載。主跨跨中彎矩最大值為15 722.4 kN·m，經計算車輛數(shù)N=7.38，計算用車輛技術參數(shù)及理論載重見表3。

表3 計算用加載車輛技術參數(shù)和理論載重

按照主跨支點最大負彎矩工況進行車輛數(shù)計算，經查影響線分布圖，當單位荷載在71號節(jié)點時，89單元j端負彎矩最大，因車輛之間要保持一定的安全距離。一般距離按照5.5 m左右的距離進行布載，故此處可按在主跨墩頂沿橋梁縱向對稱布載的方式，影響線數(shù)值取4.1，經計算車輛數(shù)N=10.73。

按照邊跨最大正彎矩工況進行車輛數(shù)計算，經查影響線分布圖，當單位荷載在18號單元1/2節(jié)點時，該處影響線數(shù)值最大，故此處可以按照在邊跨跨中布載的方式進行車輛數(shù)計算，影響線的數(shù)值取6.4，經計算車輛數(shù)N=7.30。

2條車道、3條車道不同工況下的試驗車輛數(shù)對比分析，見表4。

表4 不同荷載工況下試驗車輛數(shù)對比/輛

可以看出，因車道數(shù)發(fā)生變化，車輛數(shù)也將隨之發(fā)生變化，進而影響梁板上部結構受力變化。

5 結語

試驗加載車輛數(shù)計算的準確與否，與車道數(shù)合理界定有關。加載試驗過程中要摒棄設計車道數(shù)就是交通標線行駛車道數(shù)的錯誤理念，要嚴格按照規(guī)范[1]的劃分原則，設計車道數(shù)通常比正常使用車道數(shù)要大，目的是提高橋梁運營的安全系數(shù)。試驗過程不能按照實際行駛的車道數(shù)進行加載，這樣加載達不到預期的荷載試驗目的，導致靜力試驗荷載效率η的取值偏小，不滿足相關要求[3]。