基于差值法的荷載試驗(yàn)分析研究

胡惠康，元 萌

（1.上海中測(cè)行工程檢測(cè)咨詢有限公司，上海市 200438；2.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200438）

0 引言

橋梁荷載試驗(yàn)即通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)直接加載后進(jìn)行有關(guān)測(cè)試、記錄與分析工作，以了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和使用狀況，為竣工驗(yàn)收和橋梁檢測(cè)提供科學(xué)依據(jù)[1]。

在以往對(duì)鋼便橋（包括部分鋼桁架橋梁）的荷載試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在各級(jí)荷載的作用下，其實(shí)測(cè)的撓度值往往都會(huì)大于有限元模型計(jì)算的理論值，控制截面測(cè)試的應(yīng)變值也與理論值十分不符[2]。鋼便橋由眾多貝雷梁拼裝而成，而預(yù)制的貝雷梁雖然采用相同的尺寸規(guī)格，但是其制作誤差和施工誤差可能使結(jié)構(gòu)存在較大的局部受力（或局部不受力），而銷接的拼裝方式使得結(jié)構(gòu)連接不緊密[3]，加劇了結(jié)構(gòu)的局部受力和變形異常狀況，這種現(xiàn)象并非靜載試驗(yàn)中的預(yù)壓可以消除。造成的結(jié)果便是結(jié)構(gòu)控制斷面的實(shí)測(cè)應(yīng)變和撓度值都與理論值存在較大差異，這種數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力的不合理判斷。

因此為了解決上述問(wèn)題，需要一種新的靜載試驗(yàn)分析方法。下面以浦東機(jī)場(chǎng)鋼便橋荷載試驗(yàn)為例，進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 工程概況

為滿足浦東機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建需要，需在南隨塘河上新建一座鋼便橋。該橋選型為“321型”成品組合式鋼橋，選用的組合型式為三排單層加強(qiáng)型鋼便橋，材料為16M n鋼。新建鋼便橋長(zhǎng)48 m，寬5.85 m，橋面板凈寬4 m，為雙向單車道。鋼便橋整體由橫梁、橋面板、加強(qiáng)弦桿、橫梁夾具、水平支撐架、豎向支撐架、聯(lián)板等組成。設(shè)計(jì)載重為80 t。浦東機(jī)場(chǎng)鋼便橋立面照和平面照分別如圖1和圖2所示。

圖1 浦東機(jī)場(chǎng)鋼便橋立面照

圖2 浦東機(jī)場(chǎng)鋼便橋平面照

2 荷載試驗(yàn)方案

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

該次靜力荷載試驗(yàn)選取第一跨和第二跨作為觀測(cè)對(duì)象。主要觀測(cè)在最不利荷載工況下，第一跨與第二跨跨中最大撓度、上下弦桿貝雷梁最大拉壓應(yīng)力及斜腹桿最大拉壓應(yīng)力，以及橫向分配梁跨中梁底應(yīng)變及撓度。測(cè)點(diǎn)布置見表1和圖3，橋臺(tái)、橋墩及支座沉降測(cè)點(diǎn)布置由于篇幅有限，不做介紹。圖3中除C-1#測(cè)點(diǎn)布置于橫梁中間外，其余測(cè)點(diǎn)均布置在西側(cè)最內(nèi)測(cè)一排的鋼構(gòu)件上。

表1 應(yīng)變及撓度測(cè)點(diǎn)布置表

圖3 應(yīng)變及撓度測(cè)點(diǎn)縱斷面布置圖（單位：mm）

2.2 加載工況及車輛布載

根據(jù)試驗(yàn)要求，該次荷載試驗(yàn)以80 t荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載，為方便分級(jí)加載，現(xiàn)場(chǎng)采用4輛三軸重車作為加載車，載重分別為 20 t、40 t、60 t和 80 t；加載車前中軸距1.4m，中后軸距4.6m，輪距1.9m。該次試驗(yàn)共分五工況加載，每個(gè)工況分四級(jí)加載，由于橋面較窄，該次試驗(yàn)僅需考慮中載狀況。車輛布置位置如圖4和圖5所示，車頭均朝南，每個(gè)工況在圖4所示對(duì)應(yīng)的加載位置采用上述四種不同重量的車輛來(lái)模擬四級(jí)加載。

在加載過(guò)程中，應(yīng)對(duì)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、撓度及沉降均進(jìn)行觀測(cè)，但每級(jí)加載需要控制不同的主要參數(shù)，分別為：

（1）加載工況一。第一跨貝雷梁跨中撓度及跨中截面上、下弦桿的應(yīng)變。

（2）加載工況二。第一跨跨中橫向分配梁中間處應(yīng)變。

（3）加載工況三。第一跨貝雷梁橋墩立柱附近斜腹桿的拉、壓應(yīng)變。

（4）加載工況四。第二跨貝雷梁墩頂立柱附近斜腹桿的壓應(yīng)變。

（5）加載工況五。第二跨貝雷梁跨中撓度。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述五個(gè)工況進(jìn)行加載后，將所得的應(yīng)變及撓度數(shù)據(jù)與模型理論值進(jìn)行對(duì)比分析，該橋的理論值從M ID A S/Civil有限元模型中得到，模型如圖6所示。模型中鋼桁架均采用梁?jiǎn)卧M，橋面板采用板單元模擬，各鋼桁架桿件間采用釋放梁端彎矩方式來(lái)模擬銷接。

圖6 浦東機(jī)場(chǎng)鋼便橋有限元模型

在各工況荷載作用下，主要測(cè)試截面的實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值見表2，表中應(yīng)變數(shù)值均已考慮殘余應(yīng)變影響。在各工況荷載作用下，主要測(cè)試截面的實(shí)測(cè)撓度值與理論撓度值見表3，表中撓度實(shí)測(cè)值均已考慮結(jié)構(gòu)沉降和殘余撓度的影響。

由表2可知，工況一的測(cè)點(diǎn)A-1和工況三的測(cè)點(diǎn)B-1的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1，不滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）的要求；由表3可知，三個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)均遠(yuǎn)大于1，不滿足規(guī)范要求。

表2 各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值比較 με

表3 各撓度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值比較 mm

4 差值荷載試驗(yàn)分析法

為了測(cè)試該鋼便橋的真實(shí)承載能力，該試驗(yàn)采用60 t的三軸重車，分三級(jí)加載，再次進(jìn)行荷載試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果與80 t荷載類似，依然無(wú)法滿足規(guī)范要求。為了分析原因，對(duì)上述80 t荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 各級(jí)荷載作用下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值（一）

圖8 各級(jí)荷載作用下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值（二）

圖9 各級(jí)荷載作用下各測(cè)點(diǎn)的撓度值

由圖7和圖8可知，除了工況二C-1和工況三B-1測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值大致呈一條直線外，其余測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值均存在較大拐角，而在圖9的撓度值中更為顯著。出現(xiàn)這種狀況的原因?yàn)樗袦y(cè)點(diǎn)數(shù)值連線中，在0 t和20 t處數(shù)值連線的斜率與20～80 t處數(shù)值連線斜率相差較大。在鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中得到這樣的結(jié)果是不正常的。

其主要原因?yàn)椋轰摫銟蜾N接處連接不緊密，導(dǎo)致在較小荷載的作用下，整體結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)入工作狀態(tài)，而且會(huì)產(chǎn)生很大的變形，構(gòu)件的預(yù)制尺寸誤差和施工誤差會(huì)造成部分構(gòu)件在小荷載作用下不受力，造成應(yīng)力分布不合理。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入整體工作狀態(tài)時(shí)，這種影響會(huì)大大降低。

上述原因造成鋼便橋荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，為了消除這種不準(zhǔn)確性，本文提出差值荷載試驗(yàn)分析法。

所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由試驗(yàn)真值和誤差構(gòu)成，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)=試驗(yàn)真值+試驗(yàn)誤差。每增加一級(jí)荷載都會(huì)增加一個(gè)真值和一個(gè)誤差，每個(gè)工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以描述如下：

一級(jí)加載：數(shù)據(jù)1=真值1+誤差1。

二級(jí)加載：數(shù)據(jù)2=數(shù)據(jù)1+真值2+誤差2。

三級(jí)加載：數(shù)據(jù)3=數(shù)據(jù)2+真值3+誤差3。

四級(jí)加載：數(shù)據(jù)4=數(shù)據(jù)3+真值4+誤差4。

一級(jí)加載的荷載為20 t，可以確保此時(shí)的結(jié)構(gòu)完全進(jìn)入工作狀態(tài)（即所有構(gòu)件均開始受力，不存在局部不受力狀態(tài)），且已消除結(jié)構(gòu)連接不緊密狀態(tài)。即誤差1已經(jīng)包括了結(jié)構(gòu)局部不受力和連接不緊密的大部分影響。因此在整個(gè)試驗(yàn)中，只要能消除誤差1的影響，即可得到較為真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。現(xiàn)對(duì)上述數(shù)據(jù)做以下處理：

單級(jí)差值1=數(shù)據(jù)2-數(shù)據(jù)1=真值2+誤差2

單級(jí)差值2=數(shù)據(jù)3-數(shù)據(jù)2=真值3+誤差3

單級(jí)差值3=數(shù)據(jù)4-數(shù)據(jù)3=真值4+誤差4

總差值1=數(shù)據(jù)2-數(shù)據(jù)1=真值2+誤差2

總差值2=數(shù)據(jù)3-數(shù)據(jù)1=真值2+真值3+誤差2+誤差3

總差值3=數(shù)據(jù)4-數(shù)據(jù)1=真值2+真值3+真值4+誤差2+誤差3+誤差4

在上述六個(gè)差值中，均不存在誤差1的影響，可以得到較為真實(shí)的數(shù)據(jù)。將此方法應(yīng)用于鋼便橋試驗(yàn)，可以得到表4和表5的結(jié)果。

由表4和表5可知，各應(yīng)變單級(jí)差值的校驗(yàn)系數(shù)為0.48～1.13，有少數(shù)幾個(gè)測(cè)點(diǎn)超過(guò)1.00，但是超幅不大；各應(yīng)變總差值的校驗(yàn)系數(shù)為0.58～1.13，其中總差值3的校驗(yàn)系數(shù)為0.64～0.97，小于1。各撓度單級(jí)差值的校驗(yàn)系數(shù)為0.68～1.08，僅一個(gè)測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)大于1，且超幅不大；各撓度總差值的校驗(yàn)系數(shù)為0.88～1.08，其中總差值3的校驗(yàn)系數(shù)為 0.88～0.93，小于 1。

表4 各應(yīng)變實(shí)測(cè)差值與理論差值比較 με

表5 各撓度實(shí)測(cè)差值與理論差值比較 mm

通過(guò)差值法消除結(jié)構(gòu)局部不受力和連接不緊密的影響后，可以得到如下結(jié)論：在各級(jí)荷載作用下，各應(yīng)變和撓度單級(jí)差值校驗(yàn)系數(shù)較為合理，應(yīng)變總差值3和撓度總差值3的校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明結(jié)構(gòu)在20～80 t的荷載增量作用下，其實(shí)際應(yīng)變和撓度增量均小于理論應(yīng)變和撓度增量。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）差值法可以有效消除鋼便橋構(gòu)件連接不緊密和尺寸誤差的影響，使荷載試驗(yàn)?zāi)芫_評(píng)價(jià)鋼便橋的實(shí)際承載能力。

（2）當(dāng)采用差值法分析荷載試驗(yàn)時(shí)，建議加密對(duì)荷載的分級(jí)。當(dāng)荷載分4～6級(jí)加載時(shí)，第一級(jí)加載的荷載值不宜過(guò)小，確保結(jié)構(gòu)完全進(jìn)入工作狀態(tài)；當(dāng)荷載分級(jí)大于6級(jí)時(shí)，可在第二級(jí)加載時(shí)結(jié)構(gòu)完全進(jìn)入工作狀態(tài)，需結(jié)合實(shí)際情況判斷。

（3）對(duì)連接松散或尺寸誤差較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)，可能存在部分構(gòu)件在結(jié)構(gòu)完全進(jìn)入工作狀態(tài)前已承受較大的應(yīng)力，因此試驗(yàn)人員需要在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的總應(yīng)力進(jìn)行控制，確保其處于結(jié)構(gòu)的極限承載范圍內(nèi)。

（4）差值荷載試驗(yàn)法中的單級(jí)差值法較為嚴(yán)格，若單級(jí)差值法或總差值法前幾級(jí)存在校驗(yàn)系數(shù)大于1（超幅不應(yīng)過(guò)大），但總差值法最后一級(jí)的校驗(yàn)系數(shù)小于1，也可判定結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

（5）結(jié)構(gòu)連接不緊密的影響在荷載試驗(yàn)中可通過(guò)差值法修正，但進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定時(shí)應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺損進(jìn)行考慮，其緊密程度可參考荷載試驗(yàn)各工況的前幾級(jí)加載結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。

（6）基于差值法的荷載試驗(yàn)分析對(duì)連接松散或在小荷載作用下存在較大誤差的結(jié)構(gòu)均可適用。

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