柔性吊橋靜載試驗(yàn)及有限元分析

江西省通途路橋工程有限公司，江西 南昌 330200

1 工程概況

該橋梁全長(zhǎng)147.724m，橋梁正交。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式為1m×91.00m 汽車柔性吊橋，上部矢高f=9.10m，矢跨比f/L=1/10，索塔采用鋼筋混凝土門式剛架結(jié)構(gòu)，橋塔基礎(chǔ)為重力式擴(kuò)大基礎(chǔ)，兩側(cè)岸錨碇采用重力式錨碇。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：汽車荷載：?jiǎn)诬嚕ㄜ囏浛傊兀?0t。

2 Midas Civil 模型計(jì)算

2.1 Midas Civil 模型

采用Midas Civil 計(jì)算橋梁在公路二級(jí)荷載作用下［1］，計(jì)算橋梁的受力狀況，以此確定荷載試驗(yàn)最不利截面，橋梁Midas Civil 模型圖下圖所示：

圖1 橋梁Midas Civil 模型（單位：cm）

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

參考承載力評(píng)定規(guī)程規(guī)定，通過計(jì)算選取本柔性吊橋最不利受力的截面。采用Midas Civil 對(duì)本柔性吊橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析［2］，計(jì)算時(shí)采用單車（車貨總重）30t 荷載等效的加載車輛［3］。

本次試驗(yàn)選取1#索塔軸向內(nèi)力（J1），L/4 截面（J2 和L1截面）、L/2 截面（J3 和L2 截面），位置示意圖所示。

圖2 測(cè)試截面（單位：cm）

3 檢測(cè)目的

荷載試驗(yàn)主要測(cè)量橋跨結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形，從而對(duì)橋梁的承載力和工作特性進(jìn)行評(píng)定。結(jié)構(gòu)在自重、汽車荷載或人群荷載作用下，把控制斷面應(yīng)力和撓度與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，判定其是否滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，為橋梁的后期運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)支持。

4 靜載試驗(yàn)

4.1 加載方案設(shè)計(jì)

4.1.1 試驗(yàn)荷載確定

根據(jù)荷載試驗(yàn)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，選取最不利截面位置，將單車（車貨總重）30t（含汽車沖擊力）計(jì)算作為設(shè)計(jì)控制值。為達(dá)到荷載試驗(yàn)效果，以汽車荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)效應(yīng)做比較，并采用靜載試驗(yàn)效率ηq進(jìn)行控制。

4.1.2 荷載試驗(yàn)效率

靜力荷載試驗(yàn)效率ηq是控制斷面在等效汽車荷載作用下與設(shè)計(jì)荷載作用下的比值。為能使橋梁荷載試驗(yàn)反應(yīng)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的橋梁的受力特性，規(guī)范要求采用較高的等效加載效率。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載效率匯總表

4.2 荷載試驗(yàn)分析

4.2.1 校驗(yàn)系數(shù)

為了檢驗(yàn)等效汽車荷載與理論計(jì)算值的差異，采用效應(yīng)校驗(yàn)系數(shù)ζ 進(jìn)行分析：

式中：

Se：荷載試驗(yàn)作用下主要測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)彈性變形值或應(yīng)變值；

Ss：荷載試驗(yàn)作用下主要測(cè)點(diǎn)的理論計(jì)算變形值或應(yīng)變值。

測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)ζ 是評(píng)定橋梁的工作特性，確定本橋其承載能力的重要標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范要求校驗(yàn)系數(shù)ζ≤1.0。

綜合本次荷載采集數(shù)據(jù)，分析J1～J3 截面的主要應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)在各自最不利加載工況下的應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2、表3 所示。

表2 應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果匯總表

表3 撓度校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果匯總表

由表2 及表3 得出，J1～J3 斷面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)值在0.39～0.93之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)值為0.27～0.95 之間，均＜1.00，表明在相當(dāng)于單車（車貨總重）30t 荷載的作用下上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足正常的使用要求。

4.2.2 殘余變形（應(yīng)變）分析

根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)作下列計(jì)算

總變形（或總應(yīng)變）St=Sl-Si

彈性變形（或彈性應(yīng)變）Se=Sl-Su

殘余變形（或殘余應(yīng)變）Sp=St-Se=Su-Si

式中：Si——加載前測(cè)值；

St——加載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)值；

Su——卸載后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)值。

引入相對(duì)殘余變形（或應(yīng)變）的概念描述結(jié)構(gòu)整體或局部進(jìn)入塑性工作狀態(tài)的程度。相對(duì)殘余變形（或應(yīng)變）按下式計(jì)算：

式中：S＇p——相對(duì)殘余變形（或應(yīng)變），Sp、St 同上。

表4 相對(duì)殘余應(yīng)變結(jié)果匯總表

表5 相對(duì)殘余變位結(jié)果匯總表

依據(jù)本次汽車荷載試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析J1～J3 控制斷面的主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在各自最不利加載工況下的相對(duì)殘余應(yīng)變及位移測(cè)點(diǎn)在各自最不利加載工況下的相對(duì)殘余變位，結(jié)果匯總見表4、表5。

結(jié)合表4 及表5 可知，橋跨J1～J3 截面相對(duì)殘余應(yīng)變數(shù)值在0.0%～1.2%之間，相對(duì)殘余變位數(shù)值在0.8%～13.9%之間，均符合公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程，小于20%的要求。表明本橋在等下汽車荷載作用下，具有良好的彈性復(fù)原能力。

5 動(dòng)載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)主要目的為測(cè)試結(jié)構(gòu)的基頻和沖擊系數(shù)。

5.1 汽車動(dòng)荷載數(shù)據(jù)分析

表6 結(jié)構(gòu)基頻測(cè)定值與理論計(jì)算值對(duì)比表

由表6 可以看出，本結(jié)構(gòu)在汽車跑車作用下結(jié)構(gòu)的豎向基頻與計(jì)算基頻值相比大于1，依據(jù)承載能力評(píng)定規(guī)程規(guī)定，說明該橋的結(jié)構(gòu)豎向剛度良好。

5.2 本橋沖擊系數(shù)分析

根據(jù)車輛以不同的車速勻速駛過橋面時(shí)，測(cè)試截面的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)如表7 所示。

表7 不同車速下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)

由上表可知，本橋橋跨結(jié)構(gòu)橫梁實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)在0.03～0.04之間，縱梁實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)在0.02～0.03之間，實(shí)測(cè)數(shù)值均小于理論數(shù)值。

6 結(jié)論

（1）經(jīng)橋梁動(dòng)荷載試驗(yàn)（車貨總重）30t 數(shù)據(jù)表明，橋梁的測(cè)試參數(shù)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能按設(shè)計(jì)正常使用。

（2）該橋結(jié)構(gòu)豎向基頻值與理論計(jì)算值的比值大于1.0，依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTGT J21-2011），該橋豎向剛度較好；本橋橋跨結(jié)構(gòu)橫梁實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)在0.03～0.04之間，縱梁實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)在0.02～0.03之間，實(shí)測(cè)數(shù)值均小于理論數(shù)值。