靜載試驗結(jié)合有限元分析的橋梁檢測研究

李 鵬

(北京首創(chuàng)股份有限公司，北京 100028)

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靜載試驗結(jié)合有限元分析的橋梁檢測研究

李 鵬

(北京首創(chuàng)股份有限公司，北京 100028)

介紹了橋梁檢測的主要內(nèi)容和方法，以某空腹式石拱橋為例，采用靜載試驗結(jié)合有限元分析法，檢測了橋梁的變形及內(nèi)力分布情況，有效反映了該橋的實際狀態(tài)，為橋梁檢測提供了一種較為簡便的方法。

橋梁檢測，靜載試驗，有限元分析，承載力

0 引言

隨著中國公路、鐵路交通的發(fā)展，橋梁建設(shè)速度越來越快，橋梁數(shù)量也越來越多。據(jù)統(tǒng)計，截止2014年，全國公路橋梁75.71萬座、4 257.89萬m[1]。隨著橋梁建成時間的增長，橋梁設(shè)計、施工規(guī)范均發(fā)生了變化，橋梁結(jié)構(gòu)本身也因為種種原因較建成時發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致部分已建成橋梁(尤其是建成時間較長的橋梁)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，需進行加固或者拆除。為了明確已建成橋梁是否符合現(xiàn)行規(guī)范要求，需要對橋梁進行檢測。隨著近年來有限元軟件的發(fā)展，為橋梁檢測提供了一種較為簡便的方法。

1 橋梁檢測的方法

1.1 橋梁檢測的主要內(nèi)容

橋梁檢測時，應(yīng)先對橋梁各構(gòu)件進行評定，然后對橋梁各部件進行評定，再對橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分別進行評定，最后進行橋梁總體技術(shù)狀況的評定[2]。橋梁檢測主要包括以下內(nèi)容：

1)外觀檢查：橋梁各構(gòu)件混凝土脫落、漏筋空洞、機械損傷、裂縫檢查、尺寸復(fù)核。2)材料強度檢測：混凝土強度、混凝土碳化深度、鋼筋強度、配筋率檢測。3)承載能力驗算：地基承載力驗算、承載力極限狀態(tài)驗算、正常使用極限狀態(tài)驗算。

1.2 橋梁檢測方法

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，對橋梁加載最不利的汽車荷載，測量加載后橋梁主要控制點的位移、應(yīng)變。通過有限元軟件計算加載后橋梁結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力，根據(jù)規(guī)范的要求驗算橋梁結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)，結(jié)合試驗測得數(shù)據(jù)對橋梁進行分析，最終得出橋梁是否滿足規(guī)范要求的結(jié)論。

2 橋梁檢測實例

某空腹式石拱橋建成于20世紀80年代，全長67.5 m，主拱凈跨40 m，橋面寬度7.6 m，為板肋拱空腹式石拱橋。其建成運行近20年，為掌握該橋目前的真實工作狀態(tài)，有必要對該橋進行檢測，以便提出合理的加固改造方案，保證橋梁運營的可靠性。

2.1 外觀檢查

1)主體受力結(jié)構(gòu)。采用裂縫觀測儀對主體受力結(jié)構(gòu)進行普查，發(fā)現(xiàn)腹拱圈處存在裂縫。2)橋面系。橋兩端以外橋面損傷嚴重，存在裂縫。兩拱腳處的護欄連接處斷裂。橋面兩邊排水管堵塞，加之橋面存在較寬裂縫，導(dǎo)致橋面滲水，腐蝕橋體，橋面已有較嚴重變形。3)橋頭擋墻與錐坡。一側(cè)橋頭外側(cè)錐坡完全塌毀，其他錐坡也有部分塌毀。4)橋梁主要構(gòu)件截面尺寸復(fù)核。實測橋面寬度、主拱圈截面尺寸(包括主拱圈寬度、厚度)、腹拱及墩墻截面尺寸等主要截面尺寸與設(shè)計符合較好。5)橋梁主體結(jié)構(gòu)體形與變形復(fù)核。主拱圈線形實測值與設(shè)計值基本符合，無明顯變形。橋體側(cè)向變形較小，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

2.2 橋梁主體結(jié)構(gòu)的材料強度檢測

采用回彈與取芯方法對主材的強度和彈模進行測定，測定范圍包括主拱、腹拱、橋臺和墩墻。

綜合回彈與取芯強度試驗，可取石砌塊強度為MU50，砂漿強度代表值為M15，根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》取目前石砌體強度設(shè)計值為6.032 MPa，取彈模為22 GPa。

2.3 靜載試驗

1)試驗荷載及加載工況。靜載試驗加載車輛由4輛裝載車組成，每輛車的前軸重為5 t，后軸重為15 t，軸距4.2 m，輪距1.8 m。試驗荷載采用等效荷載法確定，采用有限元軟件MIDAS/CIVIL計算在設(shè)計荷載作用下的各控制截面的最大設(shè)計彎矩，按影響線采用等效加載方式確定實際加載車輛數(shù)及其平面布置。并保證荷載效率系數(shù)滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中規(guī)定的0.8～1.0的要求?？紤]該橋?qū)嶋H使用荷載特點，選擇了5種荷載工況進行靜載試驗，靜載試驗工況分別為支座加載、1/4跨加載、跨中加載、3/4跨加載、支座加載。試驗中的加載程序采用分級加載和卸載，每次加載完畢，3 min后開始采集數(shù)據(jù)。

2)測試方法與測點布置。撓度測點：順橋一側(cè)在主拱圈兩端支座處、1/4跨處、跨中、3/4跨處布置5個測點，均用全站儀進行量測。應(yīng)變測點：應(yīng)變測點布置在主拱的跨中截面、1/4跨截面、3/4跨截面和拱腳截面的板拱上表面，并在對應(yīng)主拱1/4跨截面位置的腹拱下表面布置縱向應(yīng)變測點，用振弦式應(yīng)變計測試，相應(yīng)的應(yīng)變儀采集，共10個測點。

2.4 有限元分析

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立該橋的空間有限元分析模型。

MIDAS軟件中有限元的基本假設(shè)如下：1)應(yīng)變平截面假設(shè)。2)材料本構(gòu)關(guān)系的線彈性假設(shè)。3)不考慮材料開裂后的影響。4)主拱和腹拱的自重以均布荷載的形式加在各自的梁單元上；橋面鋪裝和拱頂填料都以均布荷載的形式加在主拱和腹拱拱頂?shù)牧簡卧希桓构疤畛湟蕴菪魏奢d的形式加在主拱和腹拱拱頂?shù)牧簡卧?；車輛以集中力的形式加于橋面，以此來計算拱橋的受力特性。

2.4.1 撓度結(jié)果比較

表1 各測點撓度實測值與計算值的比較(向上為正) mm

從表1對該橋撓度實測結(jié)果與計算結(jié)果比較可以得出：

1)實測與計算的變形趨勢的吻合較好，表明該次試驗測試結(jié)果是可信的、有效的。2)各控制截面的計算撓度略大于實測撓度值，表明該橋的實際剛度大于理論計算所取的剛度。3)在各種工況作用下，各控制截面的絕大部分計算撓度與實測撓度比值在0.7～1.05之間，滿足《試驗方法》中有關(guān)規(guī)定。個別不滿足《試驗方法》中有關(guān)規(guī)定是由于測試的誤差所致。4)從各種工況卸載后的殘余撓度可見，卸載后的殘余撓度較小，該橋具有較好的變形恢復(fù)能力。

在自重與車載作用下，實測撓度與計算撓度在一個橋跨范圍內(nèi)的最大正負撓度的絕對值之和小于《橋規(guī)》允許撓度L/1 000=40 mm，表明該橋目前仍具有足夠的抗彎剛度。

2.4.2 應(yīng)力比較

根據(jù)在汽車荷載作用下實測各控制截面的應(yīng)變增量Δε，可計算出汽車荷載作用下各控制截面的實測應(yīng)力的增量Δσ，其計算公式為Δσ=E·Δε。其中，E為石砌體的折算模量，取E=53.5 GPa。

表2 各測點應(yīng)力實測值與計算值的比較 MPa

從表2中該橋應(yīng)變的實測結(jié)果與計算結(jié)果比較可以得出：1)實測應(yīng)力與計算值吻合較好，表明該橋的實際工作狀態(tài)仍與計算模型的狀態(tài)接近。2)從各種工況作用下的應(yīng)力云圖可以看出，該橋在各種不利荷載作用下，拱腳處應(yīng)力較大，為2.66 MPa,仍遠小于目前石砌體的實測抗壓強度設(shè)計值60.4 MPa，說明該橋主體結(jié)構(gòu)的承載力是足夠的，并有足夠的安全儲備。

2.4.3 裂縫

在荷載工況5車輛作用時，重點測試了腹拱拱腳處貫穿的剪切裂縫的寬度增量Δw的變化情況。

2.4.4 橋臺

荷載試驗對橋臺的沉降變形進行了觀測，試驗發(fā)現(xiàn)橋臺的沉降變形非常小。

2.5 結(jié)論

1)橋梁主體結(jié)構(gòu)沒有明顯缺陷、破損、風(fēng)化現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的主材砌體基本完好，材料強度與竣工時沒有明顯差異。主體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)超過規(guī)范允許的豎向、側(cè)向變形。2)荷載試驗與有限元分析表明，該橋主體結(jié)構(gòu)的承載力和剛度能滿足汽—Ⅱ級荷載通行的需求，并有一定的安全裕度。因此認為該橋主體結(jié)構(gòu)是安全的。3)現(xiàn)存缺陷應(yīng)進行相應(yīng)加固。

3 結(jié)語

通過實際應(yīng)用，靜載試驗結(jié)合有限元軟件分析用于橋梁結(jié)構(gòu)檢測可以較好的反映出已建橋梁的實際狀態(tài)，可以判斷已建橋梁各項指標(biāo)是否符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 中華人民共和國交通運輸部.2014年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[Z].2014.

[2] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JTG/T H21—2011，公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] JTG D61—2005，公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[5] YC4—4—1978，大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[Z].

[6] 余志武.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[7] 張俊平.橋梁檢測[M].北京：人民交通出版社，2012.

Study on bridge detection of static load test combining with finite element analysis

Li Peng

(BeijingShouchuangCo.,Ltd,Beijing100028,China)

The thesis introduces major bridge detection contents and methods. Taking the hollow-stomach-style stone arch bridge as an example, applying static load test combining with finite element analysis method, it detects the bridge deformation and internal force distribution conditions, and effectively reflects the actual bridge conditions, which has provided rather simple method for bridge detection.

bridge detection, static load test, finite element analysis, bearing capacity

1009-6825(2016)13-0184-02

2016-02-23

李 鵬(1983- )，男，工程師

U441

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