不中斷交通橋梁靜載試驗(yàn)的可行性分析

王振吉

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

現(xiàn)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(dǎo)致部分橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間產(chǎn)生不同程度的損傷，使得橋梁整體承載能力降低，從而引發(fā)各種事故[1-3]。對此，為確保橋梁的安全運(yùn)營，相關(guān)部門需采取有效措施對這類橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的承載能力評估。

目前，國內(nèi)外多數(shù)評估橋梁承載能力最直接方法是荷載試驗(yàn)，但根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)要求，進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)，需要封閉所有車道。同時(shí)傳統(tǒng)橋梁的荷載試驗(yàn)存在較多缺點(diǎn)，比如開支費(fèi)用大、時(shí)間長、中斷交通，同時(shí)造成極大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此在全國各省的高速公路上很少進(jìn)行橋梁的荷載試驗(yàn)，遇到急需進(jìn)行承載能力評定的橋梁也是在封閉交通情況下進(jìn)行試驗(yàn)[4-5]。

針對傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)缺點(diǎn)，提出一種不中斷交通狀態(tài)下的靜載試驗(yàn)，并結(jié)合某實(shí)際工程，對不中斷交通狀況下進(jìn)行橋梁靜載試驗(yàn)的可行性進(jìn)行了研究。

1 不中斷交通靜載試驗(yàn)

不中斷交通靜載試驗(yàn)是指在開放交通狀態(tài)下進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)。以單向4車道橋梁為例，在保證橋梁以及試驗(yàn)安全的前提下，試驗(yàn)過程封閉行駛方向右側(cè)兩個(gè)車道，用于試驗(yàn)加載，同時(shí)開放左側(cè)一個(gè)車道正常通行。

1.1 加載效率分析

不中斷交通靜載試驗(yàn)荷載效率ηq與傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)計(jì)算方法一致，在《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)中要求，對(竣工)驗(yàn)收試驗(yàn)，ηq應(yīng)介于0.85～1.05之間；否則，ηq宜介于0.95～1.05之間；本次試驗(yàn)選取0.95～1.05，其中ηq按下式計(jì)算：

式中：Ss為不中斷交通靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載項(xiàng)目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值；S為控制荷載產(chǎn)生的同一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

1.2 實(shí)測數(shù)據(jù)處理

開放車道的隨機(jī)車輛產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)是不可忽略的，試驗(yàn)加載方案要考慮隨機(jī)車輛對試驗(yàn)加載效率的影響，在測試階段要考慮其對橋梁測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，在試驗(yàn)結(jié)果分析中要考慮對結(jié)果評定的影響，下面以部分研究內(nèi)容對開放交通下橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行說明。

圖1為某一橋梁開放交通荷載試驗(yàn)加載過程中的主要測點(diǎn)應(yīng)變曲線，截取一段隨機(jī)車輛進(jìn)行了分析，由于采用了穩(wěn)定性好的傳感器和荷載試驗(yàn)信號測試分析系統(tǒng)，可以有效減少隨機(jī)車輛影響。

圖1 典型隨機(jī)車輛對靜載試驗(yàn)測試的影響

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

2 工程實(shí)例

2.1 橋梁概況

本次試驗(yàn)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(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)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(nèi)側(cè)設(shè)置0.85m的鋼護(hù)欄，外側(cè)設(shè)置0.5m的混凝土護(hù)欄；設(shè)計(jì)荷載為：汽車-超20級，掛車-120。

本次荷載試驗(yàn)只進(jìn)行偏載工況，選用三軸載重車進(jìn)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(tài)下的靜載試驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬試驗(yàn)，有限元模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)單元標(biāo)準(zhǔn)模型圖

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

圖3 橋梁加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

2.3 荷載試驗(yàn)分析

本橋設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)采用偏載4車道計(jì)算，2號梁跨中設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)最大，因此2號梁跨中作為控制截面內(nèi)力，故選取2號梁作為試驗(yàn)荷載效率研究對象。全封閉交通和不中斷交通狀態(tài)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(tài)下，2號梁最大荷載效率為0.99，與全封閉交通狀態(tài)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(jì)，橋梁荷載效率仍然滿足規(guī)范要求。

由圖4可知：在不中斷交通狀態(tài)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(yàn)現(xiàn)場見圖5、圖6。

圖5 不中斷交通試驗(yàn)

圖6 全封閉交通試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究不中斷交通下橋梁靜載試驗(yàn)的可行性，對各梁在相應(yīng)試驗(yàn)荷載下的實(shí)測應(yīng)變與變形進(jìn)行分析。通過不中斷交通與全封閉交通的試驗(yàn)結(jié)果比較，對不中斷交通靜載試驗(yàn)下橋梁承載能力的影響進(jìn)行分析。

根據(jù)表2及圖7可知：與全封閉交通靜載試驗(yàn)相比，在不中斷交通狀態(tài)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(yīng)變測試結(jié)果表

圖7 橋梁撓度測試曲線

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

圖8 橋梁應(yīng)變測試曲線

3 結(jié)論

通過不中斷交通下橋梁靜載試驗(yàn)，對橋梁隨機(jī)車流對荷載試驗(yàn)測試的影響、荷載效率、撓度、應(yīng)變等四個(gè)方面進(jìn)行分析。得到以下結(jié)論：

(1)由于有效減少了隨機(jī)車輛對荷載試驗(yàn)測試的影響，因此開放交通下的荷載試驗(yàn)可以替代傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)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(jì)，橋梁荷載效率仍然滿足規(guī)范要求。

(3)在不中斷交通狀態(tài)下，荷載試驗(yàn)的最大撓度、最大應(yīng)變與傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)幾乎一致，因此通過不中斷交通狀態(tài)荷載試驗(yàn)，同樣可以安全準(zhǔn)確地評估橋梁承載能力。