連續(xù)鋼箱梁橋靜載試驗研究

呂向明

（天水師范學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 天水 741001）

1 工程概況

以某連續(xù)鋼箱梁橋作為案例，闡明靜載荷試驗方法在該種橋型的應(yīng)用.引用的鋼箱梁橋為一聯(lián)五跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，鋼箱梁采用流線型的單箱多室斷面，梁高為2.0m，梁頂面寬25m，梁底寬13.5m，每側(cè)懸臂采用外伸長度5.75m的焊接鋼板梁，且下翼緣采用流線型.鋼箱梁橋的孔跨布置如圖1.

圖1 鋼箱梁孔跨布置圖

鋼箱梁橫斷面結(jié)構(gòu)布置：2*（0.5m的欄桿+0.5m的路緣帶+3×3.5m的行車道+0.5m的路緣帶）+1m的中央分隔帶，箱梁的橫斷面布置如圖2.

圖2 鋼箱梁橫斷面布置圖

2 靜載試驗

靜載試驗作為現(xiàn)場試驗方法之一，通過建立實體橋梁模型進行理論分析，確定施加載荷的大小、位置和控制截面的位置，制定可行的試驗實施方案.通過在成橋結(jié)構(gòu)上施加計算設(shè)計的靜力試驗載荷，測量在荷載作用下控制截面的應(yīng)力及控制截面變形，測得橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)實工作狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)，并與設(shè)計期望值進行比較是否相符，以便能較準(zhǔn)確的反映橋梁結(jié)構(gòu)的真實使用性能.[1]

2.1 靜載試驗荷載工況的確定

橋梁靜載試驗通過加載試驗測量的數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果計算靜載試驗效率ηq，通過使控制截面的受力或變形達到最不利情況，確定試驗荷載的大小及施加荷載的位置，使所選定的控制截面的靜載試驗效率達到最大值.試驗獲得的靜載試驗效率要求為：

式中的ηq為靜力試驗荷載效率；St為施加荷載作用下的最大計算效應(yīng)值；Sd為在設(shè)計荷載作用下對應(yīng)的最不利計算效應(yīng)值；μ為沖擊系數(shù).[2]

在確定試驗方案時，對橋梁進行有限元靜力分析，獲得各控制截面在最不利荷載作用下的分析結(jié)果，根據(jù)分析結(jié)果確定荷載大小和荷載位置.試驗采用試驗汽車來模擬試驗荷載，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載通過輪距、軸重、輪壓模擬，在試驗進行前，對每輛加載汽車配重、編號.試驗中采用的局部荷載要使橋梁結(jié)構(gòu)測量項目不超出設(shè)計限值.

對該橋，計算中采用的設(shè)計荷載為城—A，建立橋梁模型計算各控制截面在荷載作用下的內(nèi)力，按計算結(jié)果設(shè)計試驗荷載大小、作用位置.計算提取各控制截面在設(shè)計荷載作用下的計算彎矩和在試驗荷載作用下的彎矩，根據(jù)分析結(jié)果計算荷載效率系數(shù)，所得數(shù)據(jù)見表1.荷載效率系數(shù)在0.80～1.05范圍內(nèi).

2.2 加載工況、位置及測點布置

用有限元分析軟件ANSYS對該橋建立模型，分析知道，A截面為最大正彎矩控制截面和最大撓度控制截面位置，B截面為最大負彎矩控制截面位置，C截面為邊跨最大正彎矩控制截面位置，如 圖3.從而確定以下四種工況為最不利加載：

表1 試驗荷載效率系數(shù)

圖3 靜載試驗控制截面布置示意圖

工況I：控制截面為A截面，施加荷載為最大正彎矩，對全橋各測點的應(yīng)力和撓度進行測讀，該控制截面的測點應(yīng)力和位移進行重點測試.

工況II：控制截面為B截面，施加荷載為最大負彎矩，對全橋各測點的應(yīng)力和撓度進行測讀，該控制截面的測點應(yīng)力和位移進行重點測試.

工況III：控制截面為C截面，施加荷載為最大正彎矩，對全橋各測點的應(yīng)力和撓度進行測讀，該控制截面的測點應(yīng)力和位移進行重點測試.

工況Ⅳ：控制截面為D截面，施加荷載為最大正彎矩，對全橋各測點的應(yīng)力和撓度進行測讀，該控制截面的測點應(yīng)力和位移進行重點測試，利用對稱對C截面的實驗數(shù)據(jù)進行復(fù)核.

為了獲得外荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，應(yīng)用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式σ=Eε，先通過試驗測出構(gòu)件表面的應(yīng)變，再計算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方法.本橋在梁體下表面控制斷面上粘貼電阻應(yīng)變片，進行構(gòu)件表面應(yīng)變測試.本橋的應(yīng)力測試截面有5個，其中跨中截面4個和墩頂截面1個，每個控制截面粘貼了10個電阻應(yīng)變片，全橋共粘貼了50個電阻應(yīng)變片. 在鋼箱梁下表面順橋向粘貼應(yīng)變片，具體情況如 圖4.

圖4 測試截面應(yīng)力測點布置圖

在荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的剛度由位移值反映.為了精確測試本橋的撓度，在橋下地面上直接支架百分表測量靜荷載作用下的位移值.本橋設(shè)有5個撓度測試截面，撓度控制截面分別位于梁端、第一跨～第四跨的跨中截面，每個截面在底板左右幅對稱布置兩個撓度測點.撓度測量截面、測點布置如圖5.

圖5 測試截面撓度測點布置圖

分二級對試驗工況逐步進行加載，在試驗荷載作用下，對撓度、主梁的應(yīng)變和應(yīng)力等各項力學(xué)性能指標(biāo)進行測試.

3 結(jié)構(gòu)分析和靜載試驗結(jié)果對比

3.1 結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用大型通用有限元分析軟件MIDAS建立該橋有限元模型進行靜力求解，求解時各工況加載的大小和實際試驗中載重車輛的前后輪稱重和加載位置均相同.在分析計算過程中，提取在荷載作用下各應(yīng)力測點的應(yīng)力，提取在荷載作用下各撓度測點的撓度，[3]提取結(jié)果作為理論值依據(jù)與試驗實測結(jié)果進行對比.建立工程實例橋的空間有限元模型如圖6，以工況Ⅰ荷載作用為例提取應(yīng)力測點的應(yīng)力及撓度測點的撓度理論解匯總?cè)绫?.

圖6 實例橋空間有限元模型

表2 力結(jié)果匯總表

3.2 靜載試驗結(jié)果與理論值對比

結(jié)構(gòu)的受力性能評價，是通過對比理論值SD與實測值ST得到結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)K=ST/SD.結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)K在合理范圍內(nèi)，則該橋梁的工作性能符合要求.以下僅以工況Ⅰ第二級荷載作用下結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)的計算為例進行說明，工況Ⅰ第二級荷載作用下應(yīng)力對比分析如表3，工況Ⅰ第二級荷載作用下位移對比分析如表4.分別列出荷載作用下節(jié)點的實測應(yīng)力和位移值，荷載作用下節(jié)點的理論值.

表3 工況Ⅰ第二級荷載作用下應(yīng)力對比分析

表4 工況Ⅰ第二級荷載作用下?lián)隙葘Ρ确治?/p>

4 結(jié) 論

（1）在各種工況荷載作用下，主梁上各控制截面撓度測點在卸載后都能很快恢復(fù)到初始值，說明主梁處于完全彈性狀態(tài).

（2）橋梁在汽車荷載作用下，各測試截面應(yīng)力測點校驗系數(shù)在0.65～1.03之間變化，符合規(guī)范要求，實測最大拉應(yīng)力增量22.048MPa，理論計算最大拉應(yīng)力增量24.5MPa，實測最大壓應(yīng)力增量13.57MPa，理論計算最大壓應(yīng)力增量15.9MPa，各工況汽車荷載作用下的應(yīng)力幅值均不大.應(yīng)力增量實測值均小于理論值，說明橋梁整體剛度較高，滿足設(shè)計和使用要求.

（3）撓度結(jié)構(gòu)校正系數(shù)在0.46～1.02之間，實測最大撓度14.09mm，理論計算最大撓度21.3mm.實測值均小于計算值及規(guī)范允許值，表明橋梁豎向剛度滿足設(shè)計要求.

通過以上分析，該連續(xù)鋼箱梁橋在試驗中處于完全彈性狀態(tài)，承載能力滿足要求，整體剛度較高，說明該橋理論分析和設(shè)計計算方法可靠，施工質(zhì)量優(yōu)良，使用性能良好.

[1]宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結(jié)構(gòu)評定[M].北京：人民交通出版社，2002．

[2]王建華，孫勝江.橋涵工程試驗檢測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004．

[3]吳鴻慶，任俠.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：中國鐵道出版社，2000．