不中断交通桥梁静载试验的可行性分析

王振吉

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

现有桥梁在正常使用中将不可避免地受到各种因素的影响，导致部分桥梁结构在运营期间产生不同程度的损伤，使得桥梁整体承载能力降低，从而引发各种事故[1-3]。对此，为确保桥梁的安全运营，相关部门需采取有效措施对这类桥梁结构进行有效的承载能力评估。

目前，国内外多数评估桥梁承载能力最直接方法是荷载试验，但根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)要求，进行桥梁荷载试验，需要封闭所有车道。同时传统桥梁的荷载试验存在较多缺点，比如开支费用大、时间长、中断交通，同时造成极大的社会影响和经济损失。因此在全国各省的高速公路上很少进行桥梁的荷载试验，遇到急需进行承载能力评定的桥梁也是在封闭交通情况下进行试验[4-5]。

针对传统荷载试验缺点，提出一种不中断交通状态下的静载试验，并结合某实际工程，对不中断交通状况下进行桥梁静载试验的可行性进行了研究。

1 不中断交通静载试验

不中断交通静载试验是指在开放交通状态下进行桥梁荷载试验。以单向4车道桥梁为例，在保证桥梁以及试验安全的前提下，试验过程封闭行驶方向右侧两个车道，用于试验加载，同时开放左侧一个车道正常通行。

1.1 加载效率分析

不中断交通静载试验荷载效率ηq与传统静载试验计算方法一致，在《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)中要求，对(竣工)验收试验，ηq应介于0.85～1.05之间；否则，ηq宜介于0.95～1.05之间；本次试验选取0.95～1.05，其中ηq按下式计算：

式中：Ss为不中断交通静载试验荷载作用下，某一加载项目对应的加载控制截面内力或位移的最大计算效应值；S为控制荷载产生的同一加载试验项目对应的加载控制截面内力或位移的最不利效应计算值；μ为按规范取用的冲击系数值。

1.2 实测数据处理

开放车道的随机车辆产生的动力响应是不可忽略的，试验加载方案要考虑随机车辆对试验加载效率的影响，在测试阶段要考虑其对桥梁测试结果准确性的影响，在试验结果分析中要考虑对结果评定的影响，下面以部分研究内容对开放交通下桥梁荷载试验数据的有效性进行说明。

图1为某一桥梁开放交通荷载试验加载过程中的主要测点应变曲线，截取一段随机车辆进行了分析，由于采用了稳定性好的传感器和荷载试验信号测试分析系统，可以有效减少随机车辆影响。

图1 典型随机车辆对静载试验测试的影响

由于有效减少了随机车辆对荷载试验测试的影响，因此开放交通下的荷载试验可以替代传统荷载试验下的偏载工况。

2 工程实例

2.1 桥梁概况

本次试验选取京哈高速某一跨径为50m+6×40m+4×50m的桥梁，全长为499.66m；该桥上部结构为预应力混凝土简支T形梁，从第1孔到第11孔，每孔9片梁；桥面净宽为16.0m，内侧设置0.85m的钢护栏，外侧设置0.5m的混凝土护栏；设计荷载为：汽车-超20级，挂车-120。

本次荷载试验只进行偏载工况，选用三轴载重车进行加载，且控制加载车吨位为40t左右。

2.2 有限元模型

采用土木工程通用分析软件Midas Civil建立空间梁单元有限元模型，对不中断交通以及全封闭交通状态下的静载试验进行有限元模拟试验，有限元模型如图2所示。

图2 结构单元标准模型图

根据影响线加载原理，通过不断调整车辆位置、车重等参数，达到控制断面荷载效率要求，得到最优的加载方案，采用等效静力原则将选定的试验车辆加到桥跨上，如图3所示。

图3 桥梁加载试验模型图

2.3 荷载试验分析

本桥设计荷载效应采用偏载4车道计算，2号梁跨中设计荷载效应最大，因此2号梁跨中作为控制截面内力，故选取2号梁作为试验荷载效率研究对象。全封闭交通和不中断交通状态下，偏载工况各梁跨中弯矩见表1。横桥向荷载效率分布见图4。

表1 桥梁荷载效率表

图4 横桥向荷载效率分布图

由表1可知：在不中断交通状态下，2号梁最大荷载效率为0.99，与全封闭交通状态下荷载效率相同。因此桥梁荷载效率梁受开放车道车流影响可以忽略不计，桥梁荷载效率仍然满足规范要求。

由图4可知：在不中断交通状态下，对6～9号梁加载效率影响很大，但均小于控制加载效率，对承载能力评估影响很小试验现场见图5、图6。

图5 不中断交通试验

图6 全封闭交通试验

为进一步研究不中断交通下桥梁静载试验的可行性，对各梁在相应试验荷载下的实测应变与变形进行分析。通过不中断交通与全封闭交通的试验结果比较，对不中断交通静载试验下桥梁承载能力的影响进行分析。

根据表2及图7可知：与全封闭交通静载试验相比，在不中断交通状态下，1～3号梁的挠度几乎无变化，4～9号梁的挠度有较明显增加，桥梁最大挠度无变化。

表2 桥梁挠度、应变测试结果表

图7 桥梁挠度测试曲线

根据表2及图8可知：与全封闭交通静载试验相比，在不中断交通状态下，1～3号梁的应变几乎无变化，4～9号梁的应变有较明显增加，桥梁最大应变值无变化。

图8 桥梁应变测试曲线

3 结论

通过不中断交通下桥梁静载试验，对桥梁随机车流对荷载试验测试的影响、荷载效率、挠度、应变等四个方面进行分析。得到以下结论：

(1)由于有效减少了随机车辆对荷载试验测试的影响，因此开放交通下的荷载试验可以替代传统荷载试验下的偏载工况。

(2)桥梁荷载效率受开放车道车流影响可以忽略不计，桥梁荷载效率仍然满足规范要求。

(3)在不中断交通状态下，荷载试验的最大挠度、最大应变与传统荷载试验几乎一致，因此通过不中断交通状态荷载试验，同样可以安全准确地评估桥梁承载能力。