常規(guī)橋梁平面梁格法模型橫向剛度的精確調(diào)整方法

黎力韜，朱思蓉

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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常規(guī)橋梁平面梁格法模型橫向剛度的精確調(diào)整方法

黎力韜，朱思蓉

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

黎力韜(1988—)，碩士研究生，主要從事橋梁試驗檢測工作；

朱思蓉(1987—)，助理工程師，主要從事橋梁試驗檢測工作。

摘要：荷載試驗最主要試驗對象為常規(guī)橋梁(T梁、小箱梁、空心板)。為了得到控制梁片在設(shè)計荷載下的計算撓度和應(yīng)變，通常采用平面梁格法模型進(jìn)行計算，然而，模型中橫向聯(lián)系剛度模擬的不準(zhǔn)確，會使現(xiàn)場對試驗結(jié)果的判斷產(chǎn)生偏差，使橋梁缺陷無法及時被診斷。文章以大量荷載試驗得出的試驗數(shù)據(jù)為根據(jù)，提出用平面梁格法模型建立常規(guī)橋梁時更精確的橫向聯(lián)系建模調(diào)整方法。

關(guān)鍵詞：常規(guī)橋梁；平面梁格法；橫向聯(lián)系單元；調(diào)整

0引言

當(dāng)前，荷載試驗作為檢驗橋梁整體受力性能和橋梁承載力是否達(dá)到要求的直接方法，已經(jīng)被廣泛接受和使用。荷載試驗既可針對新建橋梁，亦可針對舊橋、病害橋梁進(jìn)行荷載試驗，檢驗其施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求，檢驗其是否滿足現(xiàn)行規(guī)范荷載等級標(biāo)準(zhǔn)。荷載試驗的檢測結(jié)果可以為橋梁運營的安全性提供技術(shù)依據(jù)，并為今后橋梁維護(hù)、管理提供原始資料。

荷載試驗的判斷結(jié)果主要基于試驗現(xiàn)場第一時間測得的橋梁反應(yīng)。在分級加載的試驗程序下，測出橋梁在各級荷載下的靜態(tài)、動態(tài)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)可能存在的橋梁病害和缺陷；若試驗數(shù)據(jù)顯示橋梁有重大缺陷，試驗方案需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，必要時可以終止試驗，以保證試驗安全。考慮到試驗現(xiàn)場第一時間分析和判定的重要性，建立準(zhǔn)確的判定依據(jù)尤為重要。判定依據(jù)來源于有限元計算模型。常規(guī)橋梁(如T梁橋、小箱梁橋和空心板梁橋)作為最常使用的橋型，自然也是荷載試驗最主要試驗對象。這類橋梁通常都使用平面梁格法建模計算。平面梁格法建模簡單高效，能為荷載試驗提供設(shè)計荷載等級下的理論計算撓度和應(yīng)變值，目前已經(jīng)是大多數(shù)常規(guī)橋梁的建模選擇。因為荷載試驗結(jié)果的判定直接依賴于計算模型的精準(zhǔn)度，所以只有合理的模型才能得出可靠的試驗結(jié)論。

1現(xiàn)行常規(guī)橋梁平面梁格法建立模型的不足

平面梁格法能較好地模擬常規(guī)橋梁的傳力分布特征，其簡單、高效的特點注定了這種建模方法在數(shù)目龐大的常規(guī)橋梁荷載試驗項目中成為計算方法首選。平面梁格法模型中，縱橋向單元的建模思路已比較成熟，即考慮完整的縱梁及70%左右的橋面鋪裝的貢獻(xiàn)，其余橋面只考慮其在質(zhì)量上對結(jié)構(gòu)的影響。該思路已較為成熟并被廣泛應(yīng)用。

與縱橋向單元不同的是，橫向虛擬聯(lián)系單元在建模過程中則缺乏統(tǒng)一精確的建模思路。通常，小箱梁與T梁之間的橫向聯(lián)系單元只考慮濕接縫截面剛接聯(lián)系，空心板梁之間的橫向聯(lián)系單元只考慮頂板或頂板+底板截面的鉸接聯(lián)系，三種截面形式在橋面對橫向單元截面的貢獻(xiàn)上采用與縱向單元一樣的方式考慮。然而，小箱梁、T梁、空心板這三類橋梁在橫向受力上都有不同的受力特點，此外結(jié)構(gòu)與路線的交角對橫向單元的設(shè)定也有影響。將近年來荷載試驗的實測值與計算模型所提取的計算值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)部分按照常規(guī)思路建模得出的模型橫向聯(lián)系剛度偏小。這個差別會直接影響試驗結(jié)果第一時間的判斷，錯過在加載條件下對橋梁缺陷診斷的最好時機(jī)。雖然模型可以在試驗后調(diào)整修正，但工程人員卻失去了現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題的最好時機(jī)。模型調(diào)整后的二次檢測可以使結(jié)果更可靠，卻會帶來大量的復(fù)工成本。

蒙屯大橋與頭孔1#中橋試驗跨在試驗荷載作用下?lián)隙扰c應(yīng)變的實測值和計算值的橫向分布對比圖見圖1。

從圖1中可以看出，這兩座橋梁的計算撓度的橫向分布反應(yīng)出計算模型考慮的橫向剛度小于實際結(jié)構(gòu)。對于蒙屯大橋偏心加載工況，控制梁片為6#T梁；對于頭孔1#中橋?qū)ΨQ加載工況，控制梁片為5#、6#空心板。計算模型橫向剛度的不足會使控制梁片的校驗系數(shù)偏小(校驗系數(shù)=實測值/計算值)，遠(yuǎn)離控制梁片的梁校驗系數(shù)偏大(蒙屯大橋的1#梁校驗系數(shù)甚至>1.0)。荷載試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理量較大，通常都只以控制梁片的校驗系數(shù)作為依據(jù)作最直接的判斷，此時因為模型橫向剛度不足導(dǎo)致的校驗系數(shù)偏小，將可能導(dǎo)致判斷不準(zhǔn)。若橋梁狀況較差，這種誤判可能檢測人員錯過最佳的診斷時機(jī)，試驗的繼續(xù)進(jìn)行甚至?xí)斫Y(jié)構(gòu)的破壞，帶來不可挽回的損失。

蒙屯大橋(偏心加載)

頭孔1#中橋(對稱加載)

2基于荷載試驗數(shù)據(jù)修正常規(guī)橋梁平面梁格法模型

由T梁、小箱梁、空心板這三類構(gòu)件構(gòu)成上部結(jié)構(gòu)的橋梁占橋梁總數(shù)的絕大部分，它們自然也成為了荷載試驗的重點對象。建立擁有準(zhǔn)確的模型將有助于更好地檢測和判定這些橋梁的狀況和承載能力。

本文從大量荷載試驗數(shù)據(jù)中挑選出具有代表性的實例進(jìn)行分析，這些試驗中的橋梁狀況良好，撓度和應(yīng)變的橫向分布較為平滑且有規(guī)律，說明橋梁整體性較好。同時，這些橋梁的計算模型均能很好地模擬出橋梁的傳力情況。水泡水庫大橋與茅嶺互通跨線橋試驗跨在偏心加載和對稱加載下的實測值與計算值對比圖見圖2。

水泡水庫大橋(偏心加載)

茅嶺互通跨線橋(對稱加載)

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)這兩組試驗實測值與計算值橫向分布趨勢相同。若將第i片梁的實測值稱作Ti，計算值稱作Ci，實測值最大值為Tmax，計算值最大值為Cmax，為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，作歸一化處理，將與均除以和的較大者設(shè)為F。則可用歸一化后對應(yīng)梁片的計算值與實測值的差值的絕對值的方差來判定實測值與計算值差值的離散程度，即可作為評判橫向聯(lián)系剛度是否模擬準(zhǔn)確的依據(jù)。為了方便比較，將計算出來的方差乘上100作為模型橫向剛度評價系數(shù)D。

則D的表達(dá)式為：

(1)

(其中n為梁片的數(shù)量)

從圖形上分析，若實測值橫向分布較為平緩，且實測值與計算值趨勢相同，則D值會比較??；反之若實測值與計算值趨勢相差大，模型橫向剛度與真實結(jié)構(gòu)相差較大，則D會較大。本文第一節(jié)列出的蒙屯大橋和頭孔1#中橋的D值分別為1.07和1.58，第二節(jié)列出的水泡水庫大橋與茅嶺互通跨線橋的D值分別為0.09和0.05。

通過大量荷載試驗測數(shù)據(jù)的比對分析，結(jié)合各座橋梁所對應(yīng)的計算模型，本文接下來將提出分別針對T梁、小箱梁、空心板梁這類型的橋梁在建模時如何調(diào)整使模型能夠具有與真實結(jié)構(gòu)相近的橫向剛度，即模型橫向剛度評價系數(shù)D能維持在一個較小值。

2.1　平面梁格法中T梁模型橫向聯(lián)系剛度調(diào)整

一般情況下，平面梁格法在建立T梁模型時橫向聯(lián)系單元的截面通常考慮為單位長度的濕接縫縱剖截面加上70%左右的混凝土橋面鋪裝層的貢獻(xiàn)。但是，根據(jù)大量荷載試驗所測出的T梁試驗跨的撓度、應(yīng)變實測彈性值的橫向分布表明，該方法建立的模型的橫向剛度小于真實橋梁，因為平面梁格法基于的平面桿系模型，無法很好模擬出實體結(jié)構(gòu)的橫向傳力機(jī)制。

基于14座施工質(zhì)量良好、承載能力滿足要求的T梁橋荷載試驗的數(shù)據(jù)與對應(yīng)模型調(diào)整結(jié)果，本文提出以下針對T梁橋建模的建議：

(1)對于直橋，橫向聯(lián)系單元可以使用矩形截面梁單元建立，橫向聯(lián)系單元與縱梁垂直，單元截面寬度為橫向單元間距長度(建議≤1.0 m)，截面高度為全部橋面鋪裝與T梁翼緣板最大厚度之和的2.0~2.5倍，全部橋面鋪裝需包括瀝青鋪裝層的厚度。

(2)對于斜橋，橫向聯(lián)系單元應(yīng)與縱梁相互垂直，這意味著測試截面方向(與同排支座布置方向相同)與橫向聯(lián)系單元件存在夾角。此時橋梁橫向剛度將由縱梁剛度和橫向聯(lián)系單元剛度綜合構(gòu)成。從荷載試驗數(shù)據(jù)對比可知，T梁斜橋的橫向聯(lián)系單元截面可選用矩形截面，截面寬度為橫向單元間距長度(建議≤1.0 m)，截面高度為T梁翼緣板最大厚度與80%混凝土橋面鋪裝之和。

(3)橫隔板單元的截面高度參照橫向聯(lián)系單元設(shè)置，對橋面鋪裝進(jìn)行放大考慮。

經(jīng)過修正，技術(shù)狀況良好的T梁橋與對應(yīng)模型的橫向剛度評價系數(shù)D降低約80%，維持在0.20之內(nèi)。

2.2　平面梁格法中小箱梁模型橫向聯(lián)系剛度調(diào)整

與T梁模型類似，由數(shù)片小箱梁組成的橋梁上部結(jié)構(gòu)模型的橫向聯(lián)系單元的設(shè)置也有講究。若按照濕接縫單位長度截面作為單元截面尺寸建模，同樣會遇到模型橫向剛度偏小的問題。基于10座施工質(zhì)量良好、承載能力滿足要求的小箱梁橋荷載試驗的數(shù)據(jù)與對應(yīng)模型調(diào)整結(jié)果，本文提出以下針對小箱梁橋建模的建議：

(1)對于直橋，橫向聯(lián)系單元可以采用矩形截面梁單元形式。橫向聯(lián)系單元與縱梁垂直，單元截面寬度為橫向單元間距長度(建議≤1.0 m)，截面高度為全部橋面鋪裝與T梁翼緣板最大厚度之和的1.5倍，全部橋面鋪裝需包括瀝青鋪裝層的厚度。

(2)對于斜橋，與T梁類似，橋梁真實的橫向剛度在模型里是由縱向和橫向單元綜合貢獻(xiàn)。通過對試驗數(shù)據(jù)和模型的分析，這類橋梁的橫向聯(lián)系單元的建立應(yīng)與縱梁垂直，采用矩形截面，截面寬為橫向單元間距長度(建議≤1.0 m)，高度為濕接縫厚度。此外，混凝土橋面鋪裝采用板單元，考慮80%左右的混凝土鋪裝層厚度對橫向剛度的貢獻(xiàn)。剩余的20%混凝土鋪裝層和瀝青層對橫向剛度貢獻(xiàn)不予以考慮。

(3)橫隔板單元的截面高度參照橫向聯(lián)系單元設(shè)置。

經(jīng)過修正，技術(shù)狀況良好的小箱梁橋與對應(yīng)模型的橫向剛度評價系數(shù)D降低約60%，維持在0.20之內(nèi)。

2.3　平面梁格法中空心板模型橫向聯(lián)系剛度調(diào)整

與T梁及小箱梁通過濕接縫進(jìn)行橫向聯(lián)系的方式不同，空心板之間設(shè)置有鉸縫，相鄰空心板間橫向上通過鉸縫與橋面系相互作用。因為鉸縫的受力特點，使用平面梁格法建立空心板梁橋模型時橫向單元間通常采用鉸接聯(lián)系。橫向聯(lián)系單元通常采用矩形或工字型截面以模擬頂板或頂板底板的共同作用。但是，此方法建立模型橫向剛度較弱，正載工況下計算值橫向趨勢圖中間測點下凹，偏載工況下控制端計算值遠(yuǎn)大于非控制端。實測值的橫向分布表明實際結(jié)構(gòu)擁有較大的橫向剛度，橫向分布曲線平緩，測量結(jié)果與通過橫向分布系數(shù)計算得出結(jié)果相呼應(yīng)。

基于9座施工質(zhì)量良好、承載能力滿足要求的空心板梁橋荷載試驗的數(shù)據(jù)與模型調(diào)整結(jié)果，本文提出以下針對空心板梁橋建模的建議：

(1)對于直橋與斜橋，橫向聯(lián)系單元與縱梁垂直，單元截面寬度為橫向單元間距長度(建議≤1.0 m)，截面高度為全部混凝土橋面鋪裝與空心板頂板最大厚度之和，橫向剛度不計入瀝青鋪裝層的貢獻(xiàn)。

(2)將各空心板抗扭剛度Ixx做等比例調(diào)整，使所有空心板抗扭剛度之和與整體截面抗扭剛度之和相當(dāng)。

經(jīng)過修正，模型橫向剛度評價系數(shù)D降低約30%。正載工況下D<0.7，偏載工況下D<3.0。相較于T梁與小箱梁模型調(diào)整的結(jié)果，空心板梁橋模型D值偏大。因為實際結(jié)構(gòu)相鄰空心板通過鉸縫作用，而鉸縫由素混凝土構(gòu)成，無法達(dá)到理想的傳力狀況，使實測值橫向趨勢波動，則D值結(jié)果不可能控制在較小范圍內(nèi)。

3結(jié)語

本文通過分析數(shù)十座技術(shù)狀況與承載能力滿足要求的常規(guī)橋梁的荷載試驗實測值，以及平面梁格法所建立模型得出的計算值，提出了針對各類T梁橋、小箱梁橋與空心板梁橋的平面梁格法建模技巧，使模型能夠更好地模擬試驗橋梁在良好技術(shù)狀況時，在試驗荷載下的撓度與應(yīng)變值?；诟煽康哪Ｐ陀嬎阒担苁购奢d試驗第一現(xiàn)場的判斷更準(zhǔn)確、及時，確保檢測工作抓住最好的試驗時機(jī)，發(fā)現(xiàn)橋梁隱蔽的缺陷，為試驗檢測工作提供更好的支持。

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Accurate Adjustment Method of Transverse Stiffness for Conventional Bridge Plane Grillage Method Model

LI Li-tao，ZHU Si-rong

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The main experimental object of load test is the conventional bridge(T beams，small box girder，hollow plate).In order to obtain the calculated deflection and strain of control beams under the design load，generally the plane grillage method model is used for calculations，however，the inaccurate horizontal linkage stiffness simulation in this model will cause the on-site determination bias on test results，so that the bridge defect can not be diagnosed in a timely manner.Based on the large number of experimental data obtained from load test，this article proposed the more precise horizontal linkage modeling adjustment method when establishing the conventional bridge by using the plane grillage method.

Keywords：Conventional bridge； Plane grillage method； Horizontal linkages element； Adjust

收稿日期：2015-04-04

文章編號：1673-4874(2015)05-0057-04

中圖分類號：U445

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.016

作者簡介