桥梁静载试验车辆数计算分析

魏 敏，田长超，庄孝敏

（山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）

引言

桥梁静载试验是将标准设计荷载的等效荷载施加在桥梁结构的指定位置，对结构的应变进行检测，根据测量结果对桥梁结构的使用性能及承载性能进行判定[6-10]。静载试验可以真实反映桥梁结构在设计荷载作用下的实际受力状态，对效率系数η进行计算[11-14]。检测结果的可靠性离不开内力计算和车辆布载方式，准确确定车辆数和布置间距对静载试验显得尤为重要。

1 桥梁概况

桥梁本联纵向配跨为38 m+2×50 m+38 m，横向布置为0.5 m（护栏）＋11 m（行车道）＋0.5 m（护栏），桥面全宽12 m，桥面净宽11 m。上部结构为等截面预应力混凝土连续箱梁，下部结构为柱式墩台、钻孔灌注桩基础。桥面铺装为6 cm 厚C40混凝土、FYT-1 改进型防水层和10 cm 厚沥青混凝土。设计荷载为汽车-超20级、挂车-120。见图1、图2。

图1 桥梁立面/cm

图2 桥梁断面/cm

2 车道数确定原则及车辆横向布置方式

依据有关规定[1]，按照桥面宽度进行车道数划分，本桥桥面宽度为11 m，属于单向行驶车道，按照最小车道宽度3.5 m进行车道数确定，当10.5 m≦W0＜14.0 m时，单向行驶桥梁，桥梁设计车道数为3条。实际通行过程中，因需要设置硬路肩，实际只布置2条行车道。设计荷载内力值计算时，切勿将车道数按照2条进行计算，会导致计算内力值偏小，加载车辆数减少，起不到静载试验的目的。车辆轴距见图3，车辆荷载横向布置见图4。

图3 车辆轴距/cm

图4 车辆荷载横向布置/cm

3 荷载工况及设计荷载作用下的内力值

本桥为4跨连续梁桥，按照规定[5]，连续梁桥的静载试验工况及测试截面见表1。

表1 静载试验工况及测试截面

采用Midas 2017建立结构受力模型[4]，建模过程严格按照原设计图纸的设计跨径、内箱尺寸、支座的位置进行单元和节点划分。在边界条件约束方面，上支座钢板与箱梁之间采用刚性连接，上、下支座钢板之间采用弹性连接、支座下钢板和墩柱之间采用一般支承，更接近实际的对梁板的受力及变形状况进行模拟计算。分别按照2条车道、3条车道进行布载受力计算，并将计算结果进行对比。结构受力模型见图5。

图5 本联结构受力模型

3.1 主跨跨中最大弯矩值

主跨跨中弯矩最大值出现在65单元1/2断面处，最大弯矩值按照2条车道布载计算为10 481.8 kN·m ，按照3条车道布载计算为15 722.4 kN·m，见图6～图8。

图6 65单元1/2断面处弯矩（2条车道布载）/（kN·m）

图8 65单元1/2断面处影响线

3.2 主跨支点最大负弯矩

经过力学模型进行分析，主跨支点最大负弯矩出现在89单元j端，最大负弯矩值按照2条车道布载计算为8 794.9 kN·m，按照3条车道布载计算为13 192.1 kN·m，见图9～图11。

图9 89单元j断面弯矩（2条车道布载）/（kN·m）

图10 89单元j断面弯矩（3条车道布载）/（kN·m）

图11 89单元j断面处的影响线

3.3 边跨主梁最大正弯矩

边跨主梁最大正弯矩出现在18单元1/2断面处，最大弯矩值按照2条车道布载计算为9 344.1 kN·m ，按照3条车道布载计算为14 009.1 kN·m，见图12～图14。

图12 18单元1/2断面处的弯矩（2条车道布载）/（kN·m）

图13 18单元1/2断面处的弯矩（3条车道布载）/（kN·m）

图14 18单元1/2断面处的影响线

3.4 不同荷载工况下内力值及荷载效应系数η对比

对不同工况下的荷载内力值及荷载效应系数η进行对比比较，结果见表2。

表2 不同荷载工况下内力值及荷载效应系数η对比

从表2可得，将试验加载车道数由设计标准3条车道变为实际通行2条车道来进行荷载试验，荷载效应系数η由1降为0.67，不满足对交、竣工荷载验收试验的荷载效率系数η宜介于0.85～1.05[5]，其他荷载效率系数η宜介于0.95～1.05的相关规定。

4 车辆数确定

为避免数据的重复性，后续计算过程按照3条车道荷载内力值进行分析，按照3种工况弯矩最大值进行车辆数计算，因车辆加载时，车辆本身有3个轴，轮轴之间存在间距，车辆相互之间也存在安全距离。将所有车辆荷载都集中加载到65单元1/2断面处不现实，考虑实际情况，因车辆后轴较重，尽量布置在影响线较大值附近。按照车尾对车尾的方式，两车后轴相距4 m，考虑影响线顶端向两侧分布，一侧3 m，将车辆偏离65单元1/2断面处3 m的距离（影响线数值7.1）进行加载。主跨跨中弯矩最大值为15 722.4 kN·m，经计算车辆数N=7.38，计算用车辆技术参数及理论载重见表3。

表3 计算用加载车辆技术参数和理论载重

按照主跨支点最大负弯矩工况进行车辆数计算，经查影响线分布图，当单位荷载在71号节点时，89单元j端负弯矩最大，因车辆之间要保持一定的安全距离。一般距离按照5.5 m左右的距离进行布载，故此处可按在主跨墩顶沿桥梁纵向对称布载的方式，影响线数值取4.1，经计算车辆数N=10.73。

按照边跨最大正弯矩工况进行车辆数计算，经查影响线分布图，当单位荷载在18号单元1/2节点时，该处影响线数值最大，故此处可以按照在边跨跨中布载的方式进行车辆数计算，影响线的数值取6.4，经计算车辆数N=7.30。

2条车道、3条车道不同工况下的试验车辆数对比分析，见表4。

表4 不同荷载工况下试验车辆数对比/辆

可以看出，因车道数发生变化，车辆数也将随之发生变化，进而影响梁板上部结构受力变化。

5 结语

试验加载车辆数计算的准确与否，与车道数合理界定有关。加载试验过程中要摒弃设计车道数就是交通标线行驶车道数的错误理念，要严格按照规范[1]的划分原则，设计车道数通常比正常使用车道数要大，目的是提高桥梁运营的安全系数。试验过程不能按照实际行驶的车道数进行加载，这样加载达不到预期的荷载试验目的，导致静力试验荷载效率η的取值偏小，不满足相关要求[3]。