某鐵路運(yùn)煤專線簡支梁靜載試驗分析

摘 要：【目的】以某在役運(yùn)煤專線（3×16）m簡支梁為研究背景，測試其在靜荷載作用下的靜應(yīng)變、靜應(yīng)力及靜位移，由此分析橋梁結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的工作狀態(tài)及其安全性能?！痉椒ā繎?yīng)用橋梁有限元分析軟件Midas Civil建立該橋有限元模型進(jìn)行靜力求解，經(jīng)計算本次試驗跨確定加載工況為跨中截面加載，在現(xiàn)場開展靜載試驗分析?！窘Y(jié)果】通過對該橋第二跨和第三跨梁進(jìn)行靜載試驗，在荷載工況加載下，各控制截面測點(diǎn)應(yīng)變校驗系數(shù)在0.47～0.57之間，變形校驗系數(shù)均在0.55～0.61之間。第三跨實測撓度最大為1.61 mm，換算到中-活載后為3.15 mm。【結(jié)論】在試驗荷載作用下，控制截面各測試點(diǎn)上的應(yīng)變未出現(xiàn)異常變化，最大靜應(yīng)變和最大靜位移均在規(guī)定的范圍內(nèi)，實測值的變化規(guī)律和理論分析結(jié)構(gòu)基本保持一致，應(yīng)變校驗系數(shù)、變形校驗系數(shù)和實測最大撓度值換算到中活載后均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的規(guī)定值，滿足規(guī)范要求，說明橋梁豎向剛度良好。

關(guān)鍵詞：簡支梁；安全性能；靜載試驗；撓度；應(yīng)變

中圖分類號：U24" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）20-0066-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.013

Static Load Test Analysis of a Simply Supported Beam in a Railway Coal Special Line

Abstract： [Purposes] The static strain， static stress and static displacement of a simply supported beam （3×16） m of an in-service coal special line were tested under static load， and the working state and safety performance of the bridge structure under static load were analyzed.[Methods] The bridge finite element analysis software Midas Civil was used to establish the finite element model of the bridge for static solution. The loading condition of the test span was determined as mid-span section loading by calculation， and static load test analysis was carried out on site.[Findings] Through the static load test of the second and third span beams of the bridge， under the load condition， the strain calibration coefficient of each control cross section measuring point is between 0.47 and 0.57， and the deformation calibration coefficient is between 0.55 and 0.61. The maximum measured deflection of the third span is 1.61 mm， which is 3.15 mm after conversion to medium-live load.[Conclusions] Under the effect of the test load， the strain on each test point of the control section has not changed abnormally， and the maximum static transformation and maximum static displacement are within the specified range. The variation law of the measured value is basically consistent with the theoretical analysis structure. The strain calibration coefficient， the deformation calibration coefficient， and the measured maximum deflection value are less than the specified value in the “Railway Bridge Verification Specification” after conversion to the medium-live load. which meets the requirements of the specifications， indicating that the vertical stomach of the bridge is good.

Keywords： simply supported beam; safety performance; static load test; deflection; strain

0 引言

我國地形復(fù)雜，山區(qū)眾多，因此鐵路橋梁的數(shù)量龐大。由于鋪設(shè)鐵路線路受地形限制，需要建設(shè)大量橋梁。橋梁結(jié)構(gòu)在長期的運(yùn)營荷載作用下，由于行車密度不一、作用力集中、荷載變化大等的影響，使得橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部損傷，并且損傷程度隨著時間變化會越來越嚴(yán)重，進(jìn)而對橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營產(chǎn)生巨大的潛在威脅［1］。為了保證重載鐵路能夠安全運(yùn)營，對鐵路橋梁定時的檢查、記錄、維修就顯得尤為重要。橋梁荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗，廣泛應(yīng)用于新建、改建和加固的各類型橋梁，是檢驗結(jié)構(gòu)性能和工作狀態(tài)最直接有效的方法［2］。橋梁靜載試驗是指將靜止的荷載作用于橋面上的指定位置，測試結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)變、靜應(yīng)力及靜位移等，以推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)與設(shè)計期望值是否相符［3］。橋梁靜載試驗結(jié)果的合理性取決于橋梁靜載試驗方法的可靠性［4］。因橋梁結(jié)構(gòu)和試驗環(huán)境較復(fù)雜，目前主要通過數(shù)值模擬的方式研究連續(xù)梁靜載試驗，但數(shù)值模擬時常忽略所建模型的準(zhǔn)確性和可靠性。因此靜載試驗必須結(jié)合現(xiàn)場情況對模型理論值進(jìn)行校驗從而得出正確結(jié)論。

本文以某在役運(yùn)煤專線（3×16）m簡支π梁為研究背景，梁寬3.9 m。通過開展簡支梁靜載試驗，以及有限元模型仿真分析，評估試驗全橋各控制截面的應(yīng)變校驗系數(shù)、撓度校驗系數(shù)等靜力性能關(guān)鍵指標(biāo)，并對比各指標(biāo)的實測值與理論值，以期為今后類似橋梁的安全運(yùn)營提供參考。橋梁立面及橫斷面如圖1、圖2所示。

1 橋梁劣化狀態(tài)評定

在進(jìn)行橋梁靜載試驗前對其混凝土梁、墩臺基礎(chǔ)、支座及附屬設(shè)施等做出劣化狀態(tài)評定，從而全面掌握橋梁狀態(tài)，對已產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行標(biāo)記，以便在進(jìn)行靜載試驗時對其進(jìn)行重點(diǎn)觀察，具體如下。

①該橋橋面排水不暢，內(nèi)翼緣間隙漏水導(dǎo)致梁體被雨水沖刷，梁體混凝土泛堿。該橋泄水管基本

失去功能，導(dǎo)致滲水沖刷梁體，泄水管下方梁體混凝土堿化腐蝕。部分梁體有蜂窩麻面，該橋墩身及臺帽有裂縫。②該橋梁體的碳化深度為4.5 mm，橋墩的碳化深度為4.0 mm，小于混凝土保護(hù)層厚度設(shè)計值。③該橋梁體混凝土強(qiáng)度推定值為33.2 MPa，橋墩混凝土強(qiáng)度推定值為27.5 MPa。④1#橋墩墩

身裂縫一條長1.1 m，寬0.25 mm，另一條長1.8 m、寬0.13 mm。2#墩臺帽小里程側(cè)豎向裂縫，長50 cm、寬0.28 mm，2#墩墩身高3 m處，環(huán)向裂縫寬0.55 mm。⑤鋼筋保護(hù)層厚度測試結(jié)果：采用HC-GY71混凝土鋼筋檢測儀檢測橋梁的保護(hù)層厚度，經(jīng)檢測橋臺鋼筋保護(hù)層厚度介于32～40 mm之間；梁體鋼筋保護(hù)層厚度介于28～33 mm 之間。⑥全橋支座完好，梁體支座預(yù)埋鋼板有銹蝕，1#墩、2#支座墊石有裂縫。⑦0#臺、3#臺左右側(cè)護(hù)錐有雜草，且護(hù)錐灰縫全部脫落。⑧針對該橋出現(xiàn)的各種缺陷，建議在對該橋維修時一并處理，以確保橋梁外觀完好及保護(hù)其耐久性。

2 測試截面及試驗工況

本研究應(yīng)用橋梁有限元分析軟Midas Civil建立該橋有限元模型進(jìn)行靜力求解，如圖3所示。求解時各工況荷載的大小與實際試驗中載重車輛的前后輪稱重噸位和加載位置均相同。通過Midas Civil軟件建立有限元模型的主要步驟如下［5］。①結(jié)構(gòu)離散化。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選定的單元類型，劃分單元和節(jié)點(diǎn)，并對節(jié)點(diǎn)和單元予以編號。②結(jié)構(gòu)描述，選定整體坐標(biāo)系。輸入試驗結(jié)構(gòu)幾何、材料、荷載和支承條件的全部數(shù)據(jù)和各種信息以及有關(guān)的控制變量等參數(shù)。③單元特性計算。根據(jù)單元類型、單元節(jié)點(diǎn)號和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系及有關(guān)信息，分別算出局部坐標(biāo)系下的單元剛度矩陣和等效節(jié)點(diǎn)荷載等。④組集結(jié)構(gòu)總剛度矩陣和荷載總矢量。⑤求解結(jié)構(gòu)的靜力平衡方程組計算所有的未知節(jié)點(diǎn)位移。根據(jù)單元節(jié)點(diǎn)位移和單元剛度矩陣計算各個單元應(yīng)力。

為了滿足現(xiàn)場橋梁靜載試驗的要求，試驗應(yīng)選擇能夠反映結(jié)構(gòu)最不利受力狀態(tài)的工況。在進(jìn)行各荷載工況布置時，參照在不同的布載形式下截面內(nèi)力（或應(yīng)力、變形）影響線（或影響面）。

本次試驗采用彎矩等效方法進(jìn)行理論分析，由空間結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil 計算得出全橋設(shè)計活載作用下彎矩，在此基礎(chǔ)上確定最不利內(nèi)力控制截面［6］。該橋梁結(jié)構(gòu)形式為（3×16 m）簡支梁橋，試驗跨確定加載工況為跨中截面加載。

本次現(xiàn)場試驗的荷載采用東風(fēng)8B型內(nèi)燃機(jī)車雙機(jī)連掛進(jìn)行加載，具體荷載參數(shù)如圖4所示。

在進(jìn)行荷載加載時，機(jī)車停在每跨橋梁指定的位置10 min（每跨橋梁停3個位置），然后駛出橋梁位置后10 min，再次停留在另外一跨橋梁的指定位置，重復(fù)以上工作。每座橋預(yù)計用時2 h。該加載工況見表1。靜載試驗加載位置如圖5至圖7所示。

3 測點(diǎn)布置

根據(jù)受檢橋跨主體結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)受力特性，測點(diǎn)布置遵循以下原則：①測試位置的典型性和代表性；②測點(diǎn)截面的典型性和代表性；③測點(diǎn)布置的有效性和經(jīng)濟(jì)性及現(xiàn)場實際情況。

根據(jù)以上原則，本次試驗擬定測點(diǎn)布設(shè)如下。①應(yīng)變測點(diǎn)布置：跨中截面共18個測點(diǎn)，貼應(yīng)變片之前先在既定位置表面進(jìn)行打磨，清潔，具體位置如圖8所示。②撓度測點(diǎn)布置：在跨中截面橫向布置4個測點(diǎn)，如圖9所示。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行現(xiàn)場測試前，根據(jù)加載方案完成如下試驗準(zhǔn)備工作［7］：①粘貼混凝土橋梁應(yīng)變片、連接相應(yīng)導(dǎo)線，靜載測試聯(lián)機(jī)調(diào)試；②布置撓度測點(diǎn)；③標(biāo)定試驗車輛的加載位置；④檢查現(xiàn)場環(huán)境是否符合試驗要求，確保試驗安全進(jìn)行，清理試驗區(qū)域，為實施靜載試驗做好準(zhǔn)備工作；⑤制定并執(zhí)行相關(guān)安全措施，保障參與人員的人身安全。

4.2 靜載試驗步驟

①進(jìn)行設(shè)備預(yù)壓試驗以消除非彈性變形的影響，并在現(xiàn)場檢驗和校準(zhǔn)儀器設(shè)備，以確保其靈敏度和可靠性。

②在進(jìn)行正式加載試驗時，按照工況次序依次施加荷載，每級荷載之間的間隔時間為5～10 min，各個試驗工況之間的間隔時間為20 min。

③試驗控制要求將試驗荷載分批逐級加載，施加每一級荷載后，觀察橋梁的反應(yīng)（如應(yīng)變、撓度、裂縫），以便判斷下一步是否需要施加更多荷載以及如何施加，從而保證結(jié)構(gòu)的安全性。

④數(shù)據(jù)監(jiān)測。完成各級荷載施加后，對裂縫、位移、應(yīng)力等關(guān)鍵部位的觀測點(diǎn)進(jìn)行在線監(jiān)測，待所有數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

⑤記錄車輛位置。在各級荷載施加完成后，標(biāo)定列車對橋梁實際加載的部位，并進(jìn)行詳細(xì)記錄。

試驗中應(yīng)注意，一旦試驗車輛行駛到指定位置，應(yīng)立即將列車制動；數(shù)據(jù)記錄人員應(yīng)及時對記錄結(jié)果進(jìn)行實時分析和對比，若發(fā)現(xiàn)異常情況，需立即向現(xiàn)場試驗總指揮報告。

5 靜載試驗結(jié)果及分析

5.1 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)分析數(shù)據(jù)對橋梁的受力行為進(jìn)行評估，可以通過比較理論計算得到的數(shù)值（SY）和現(xiàn)場實際測量得到的數(shù)值（SX）之間的接近程度來進(jìn)行分析。通常，將這種比值稱為結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)，其是應(yīng)力應(yīng)變實際測量值與理論計算值之間的比值，即校驗系數(shù)K=SX/SY。結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)應(yīng)滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中第10.0.8條的規(guī)定［8］。若檢驗系數(shù)在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，則說明橋梁結(jié)構(gòu)實際強(qiáng)度或剛度有安全儲備，代表橋梁的實際狀況要好于理論狀況，若檢驗系數(shù)超過規(guī)范規(guī)定的范圍，則表明強(qiáng)度或剛度不足。

5.2 橋梁應(yīng)力—應(yīng)變特性

將各工況下相應(yīng)測點(diǎn)實測應(yīng)變除以計算值可得到各測點(diǎn)處的應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)。各工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及應(yīng)變校驗系數(shù)見表2和表3，相應(yīng)關(guān)系曲線如圖10和圖11所示。

在加載荷載工況下，各控制截面測點(diǎn)應(yīng)變校驗系數(shù)在0.47～0.57之間，變形校驗系數(shù)在0.55～0.61之間，均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中第10.0.8條的規(guī)定。研究表明該結(jié)構(gòu)工作性能較好，承載力有一定富余。

5.3 橋梁撓度—變形特性

將各荷載工況下相應(yīng)測點(diǎn)實測變形除以理論值可得到各測點(diǎn)處的變位結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)。各工況向上變形為正，向下變形為負(fù)。各工況下結(jié)構(gòu)的變形撓度及變位校驗系數(shù)見表4，相應(yīng)關(guān)系曲線如圖12和圖13所示。

研究發(fā)現(xiàn)整個靜載試驗過程中，各測點(diǎn)的豎向位移未發(fā)生異常變化。通過對該橋第二跨和第三跨

跨梁進(jìn)行靜載試驗得出，第三跨實測撓度最大為1.61 mm，換算到中-活載后為3.15 mm，小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中豎向撓跨比的通常值L/1 800=16 000/1 800=8.89 mm。

6 結(jié)論

①在試驗荷載作用下，控制截面各測試點(diǎn)上的應(yīng)變未出現(xiàn)異常變化情況，最大靜應(yīng)變和最大靜位移均在規(guī)定的-48～100 μ[ε]范圍內(nèi)，實測值的變化規(guī)律和理論分析結(jié)構(gòu)基本保持一致，應(yīng)變校驗系數(shù)及變形校驗系數(shù)均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中第10.0.8條規(guī)定。實測最大撓度值3.27 mm換算到中-活載后均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中豎向撓跨比的通常值6.67 mm，滿足規(guī)范要求，說明橋梁豎向剛度良好，滿足設(shè)計及使用要求。

②在裂縫狀態(tài)下，試驗荷載作用下上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的既有裂縫未出現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)象。

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