蘆州大橋結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的判定分析

呂少勇，劉永勝，吳秋蘭

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

蘆州大橋結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的判定分析

呂少勇，劉永勝，吳秋蘭

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

結(jié)合靜載試驗(yàn)和有限元仿真檢驗(yàn)了宜春市蘆州大橋工程的施工建設(shè)規(guī)范問題.首先對大橋的問題進(jìn)行了描述并建立了有限元模型，其次描述了對靜載試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn)，得到了各控制點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變.通過試驗(yàn)值與理論值的比較并進(jìn)行校驗(yàn)系數(shù)評定，結(jié)果表明大橋處于良好的彈性工作狀況，橋梁受力正常，整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求.

鐵路橋梁；靜載試驗(yàn)；承載力；評定

隨著交通的迅速發(fā)展，橋梁的承載能力要求也隨之越來越高，國家對鐵路橋的基礎(chǔ)設(shè)施不斷投入，鐵路橋的發(fā)展也越來越快［1］.利用靜載試驗(yàn)可以通過評定承載力后采取有必要的加固措施，能對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)進(jìn)行評估以及能對橋梁結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)提供幫助［2］.蘆洲大橋是位于宜春市內(nèi)的一座鐵路橋梁.橋梁中心里程K0+137.0處，該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁橋.主梁橫斷面為小箱梁，橋跨布置為6×25 m，全橋?yàn)橐宦?lián)（6×25 m一聯(lián)），全橋長157 m，橋面寬29.5，其中機(jī)動(dòng)車道寬23 m，人行道寬3.25 m，雙向共6車道，設(shè)計(jì)荷載為公路－I級，人群－3.5 kN/m2.利用靜載試驗(yàn)對蘆州大橋進(jìn)行了承載力以及應(yīng)變、應(yīng)力等彈性狀態(tài)的檢驗(yàn).首先通過ANSYS有限元軟件對橋梁的受力情況進(jìn)行了模擬得出了有限元解，其次根據(jù)技術(shù)資料的準(zhǔn)備進(jìn)行加載方案的設(shè)計(jì)以用來測點(diǎn)位置與測試，最后對試驗(yàn)結(jié)果分析與承載力評定.依據(jù)相關(guān)的規(guī)程，可知蘆州大橋處于良好的彈性工作狀況，橋梁受力正常，整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求［3-4］.

1 問題的描述及模型建立

橋梁中心里程K0+137.0處，該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁橋.主梁橫斷面為小箱梁，橋跨布置為6×25 m，全橋?yàn)橐宦?lián)（6×25 m一聯(lián)），全橋長157 m，橋面寬29.5 m，其中機(jī)動(dòng)車道寬23 m，人行道寬3.25 m，雙向共6車道，設(shè)計(jì)荷載為公路－I級，人群－3.5 kN/m2.全橋設(shè)有2道80型伸縮縫，全橋布置及主梁跨中截面見圖1.

圖1 蘆洲大橋布置與橫斷面圖

結(jié)合蘆洲大橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及現(xiàn)場橋跨情況，擬選取靠袁山東路方向的第5和6跨作為靜載試驗(yàn)的觀測對象（見圖1）.將應(yīng)變計(jì)粘貼在主梁的梁底，撓度通過在橋面布置測點(diǎn)，用精密水準(zhǔn)儀測量，具體布置詳見圖2.

圖2 控制截面應(yīng)變、撓度測點(diǎn)布置示意圖（單位：m）

蘆洲大橋?yàn)閯偨有∠淞?，不能簡單地采用平面的?jì)算模型來模擬其實(shí)際受力情況，本次橋梁試驗(yàn)結(jié)構(gòu)理論分析采用空間實(shí)體單元進(jìn)行模擬分析，有限元計(jì)算模型見圖3.根據(jù)設(shè)計(jì)荷載，全橋使用階段的內(nèi)力分析計(jì)算采用北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司開發(fā)的“Midas Civil7.4.1”和同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的“橋梁博士3.0”互為計(jì)算分析和校核，主要是計(jì)算主梁在使用荷載、試驗(yàn)荷載作用下的最不利內(nèi)力以及試驗(yàn)荷載效率系數(shù).

圖3 剛接板有限元模型

2 靜載試驗(yàn)方案

2.1 加載方案

試驗(yàn)是按試驗(yàn)荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)等效的原則，并考慮到車輛來源、組織和調(diào)配的實(shí)際情況來確定試驗(yàn)荷載（采用移動(dòng)加載）.最后確定試驗(yàn)荷載采用6輛約350 kN標(biāo)準(zhǔn)車，總噸位約為2 100 kN，靜載效率系數(shù)保持在0.8～1.00之間.加載車車輛基本情況見圖4.加載車輛相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：L1=1.4 m，L2=3.8 m，輪距1.9 m，中后軸重為280 kN，前軸重70 kN，車輛總重350 kN.

根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法》中的規(guī)定，靜載試驗(yàn)荷載一方面應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面又應(yīng)能充分暴露結(jié)構(gòu)承載能力，一般：

圖4 加載車示意圖

式中：ηq——靜試驗(yàn)荷載效率系數(shù)；

Sstat——試驗(yàn)荷作用下，檢測部位最大變位或最不利內(nèi)力的計(jì)算值；

S——設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，檢測部位最大變位或最不利內(nèi)力的計(jì)算值；

δ——設(shè)計(jì)取用的動(dòng)力系數(shù)，經(jīng)過計(jì)算為1.236.

根據(jù)分析計(jì)算，利用荷載等效使主梁達(dá)到規(guī)定的荷載效率系數(shù)，加載工況車輛布置根據(jù)詳細(xì)計(jì)算確定，并在試驗(yàn)前進(jìn)行一次預(yù)載.所有工況均按兩次分級加載、一次卸載.加載過程中密切注意結(jié)構(gòu)各控制點(diǎn)的應(yīng)變和位移，如遇異常情況應(yīng)立即終止加載.

2.2 測試方案

測試主要針對于3個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行：（1）應(yīng)變測試：梁底跨中縱向應(yīng)力采用電測法測試，在每片梁底粘貼1個(gè)電阻應(yīng)變片，采用電阻應(yīng)變采集儀測定砼結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)變（應(yīng)力）值.（2）撓度測試：主梁跨中撓度和梁端支座沉降利用百分表測量位移，測試精度為0.01 mm.（3）裂縫監(jiān)測：加載時(shí)，梁底派專人觀測裂縫開展情況，如有裂縫開展，用裂縫放大鏡量測裂縫寬度.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用6臺約350 kN的標(biāo)準(zhǔn)車對橋梁進(jìn)行加載，共6種工況，每種工況分3級加載，部分加載工況見圖5.由靜載試驗(yàn)和有限元的理論解進(jìn)行了對比可以得出結(jié)果.限于篇幅，本文只列出A-A跨最大正彎矩偏載加載工況的實(shí)測應(yīng)變、撓度與理論計(jì)算值對比的條形統(tǒng)計(jì)圖見圖6和表2.B-B跨以及C-C跨還有支點(diǎn)C-C的數(shù)據(jù)記錄都與A-A跨記錄方法及內(nèi)容相似.

圖5 工況荷載布置圖

表2 邊跨跨內(nèi)A-A截面最大正彎矩偏載加載工況作用下應(yīng)變(με)

圖6 邊跨跨內(nèi)A-A截面最大正彎矩偏載加載工況下的應(yīng)力和撓度

3.2 安全性評定

實(shí)驗(yàn)測得各跨各截面實(shí)測最大撓度、應(yīng)變值與相應(yīng)理論值的比值（校驗(yàn)系數(shù)）、實(shí)測殘余撓度、殘余校驗(yàn)系數(shù)評定見表3和表4.

根據(jù)橋梁測試規(guī)范，校驗(yàn)系數(shù)小于1.05屬于安全范圍［5-6］.由表3和表4可知，在最大試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)橋跨主梁控制截面最大撓度和最大應(yīng)力的校驗(yàn)系數(shù)均小于1.05，說明在試驗(yàn)荷載作用下橋梁處于彈性工作狀態(tài)，實(shí)測撓度值、應(yīng)變值與理論值相關(guān)性較好.

表3 試驗(yàn)橋跨在試驗(yàn)荷載作用下梁底最大應(yīng)變值評定

表4 試驗(yàn)橋跨在試驗(yàn)荷載作用下梁底最大撓度值評定

4 結(jié)論

（1）本橋所有試驗(yàn)控制截面最大撓度和最大應(yīng)力的校驗(yàn)系數(shù)均小于1.05，橋梁處于彈性工作狀態(tài)，并且實(shí)測撓度值、應(yīng)力值與理論值相關(guān)性較好.

（2）各控制荷載卸載后的結(jié)構(gòu)相對殘余應(yīng)變均不大，同時(shí)控制截面變位隨著荷載的增加基本上按比例增加，結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài).

綜上所述，測試數(shù)據(jù)表明大橋在設(shè)計(jì)靜荷載作用下，結(jié)構(gòu)處于安全工作狀態(tài)，承載能力達(dá)到設(shè)計(jì)的要求.參考文獻(xiàn)：

［1］李琳.2016年中國鐵路計(jì)劃投資8千億元積極推動(dòng)鐵路“走出去”[J].城市軌道交通研究，2016（2）：64.

［2］曾彥.基于靜載試驗(yàn)的橋梁結(jié)構(gòu)性能評價(jià)[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)學(xué)報(bào)），2013，34（4）：65-68.

［3］史艾嘉，許燕，孫明杰.橋梁靜載試驗(yàn)分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2014，41（2）：15-16.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10002.3-2005.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB/T2898-1998.鐵路橋梁豎向撓度的評定與測量方法[S].北京：中國鐵道出版社，1998.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB10415-1998.鐵路橋涵工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國鐵道出版社，1998.

Research on the Judgment of Structural Safety Design of Luzhou Bridge

LV Shao-yong,LIU Yong-sheng,WU Qiu-lan
（School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,Jiangxi,China）

The static load test and finite element simulation are used to test the construction of the Yichun River Bridge project in this paper.First of all,the problem of the bridge is described and the finite element model is established.Secondly,the design and test of the static load test are described.By the comparison of the experimental value with the theoretical value,and the calibration coefficient evaluation,the results show that the bridge is in good working status,and the stress of the bridge is normal.

railway bridge；static load test；bearing capacity；evaluation

U24

A

1007-5348（2017）06-0049-05

（責(zé)任編輯：歐愷）

2017-03-11

江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ160474）.

呂少勇（1990-），男，江西九江人，華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院碩士研究生；研究方向：建筑與土木工程.