淺談運(yùn)用軟件分析橋梁荷載試驗(yàn)應(yīng)用分析

王超

安徽省建設(shè)工程測試研究院有限責(zé)任公司 安徽 合肥 230051

引言

現(xiàn)如今是城市飛速發(fā)展的時代，城市高架的建設(shè)與發(fā)展顯得尤為重要，城市高架的建設(shè)使地區(qū)與地區(qū)之間的經(jīng)濟(jì)交流關(guān)系更加密切，而且還影響居民的出行體驗(yàn)，使居民出行更加便利快捷。然而隨著大量城市高架的建成以及舊高架的養(yǎng)護(hù)改建，且近些年全國各地區(qū)出現(xiàn)的城市高架倒塌事件，讓如何保證城市高架建設(shè)穩(wěn)定性和安全性，成為建設(shè)方以及各參建方密切關(guān)注的問題。而荷載試驗(yàn)檢測作為一種重要的道路橋梁檢測方式，對于其運(yùn)營承載力的判斷是非常精確的[1]。

1 橋梁荷載試驗(yàn)任務(wù)

1.1 檢驗(yàn)橋梁設(shè)計與施工質(zhì)量

現(xiàn)新建和改擴(kuò)建高架或者有特殊設(shè)計的橋梁，在交竣工驗(yàn)收時一般都會要求進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)，并且把試驗(yàn)結(jié)果作為評定橋梁優(yōu)劣的主要材料和依據(jù)，另一方面，橋梁工程師通過橋梁荷載試驗(yàn)了解橋梁在活荷載作用下荷載的極限狀態(tài)行為，且可以分析驗(yàn)證有關(guān)應(yīng)力水平、荷載分布的假設(shè)。

1.2 評定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載內(nèi)力

目前，全國有很多以前建設(shè)的設(shè)計荷載偏低的橋梁，已經(jīng)無法適應(yīng)目前的交通發(fā)展的需要了，對于此類橋梁在改建和擴(kuò)建后的質(zhì)量，還是很有必要通過荷載試驗(yàn)驗(yàn)證其荷載能力的。

1.3 驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及設(shè)計理論

隨著橋梁施工技術(shù)的發(fā)展，在橋梁工程施工中會不斷地出現(xiàn)新工藝，新材料，新結(jié)構(gòu)，對于這些新方法，新材料的引用實(shí)踐，橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)同時也可以提供有力的參考價值。

1.4 橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)反應(yīng)及動力特性的測試研究

橋梁在服役期間必然會遇到動力荷載作用下產(chǎn)生的震動和動態(tài)增量以及沖擊系數(shù)，橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能和輕柔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定等，所以更應(yīng)該對橋梁動態(tài)反應(yīng)和動力特性進(jìn)行檢驗(yàn)檢測和研究[2]。

2 橋梁荷載試驗(yàn)中關(guān)于結(jié)構(gòu)分析的必要性

在現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范《公路鋼筋砼及預(yù)應(yīng)力砼橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362-2018）和檢測規(guī)范《公路水運(yùn)工程試驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)等級標(biāo)準(zhǔn)》對于有限元模型計算和橋梁計算分析軟件要求越來越明確，所以不光從設(shè)計角度還是檢測角度來講，有限元分析都是強(qiáng)有力輔助手段。

現(xiàn)在的橋梁結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，空間效應(yīng)越來越明顯，二維平面計算已經(jīng)滿足不了計算精度要求，同時也滿足不了計算周期的要求。

3 等效靜載布置的流程

3.1 建立結(jié)構(gòu)靜力分析模型

對結(jié)構(gòu)的邊界條件、荷載、作用和剛度分布進(jìn)行了充分的模擬，可以更好地提取理論結(jié)果。其實(shí)單從檢測角度建立靜模型并不需要和設(shè)計時建立模型一樣復(fù)雜，不需要輸入預(yù)應(yīng)力鋼束及普通鋼筋；不需要定義自重鋪裝和恒載；不需要定義支座沉降與溫度作用[3]。

3.2 計算設(shè)計荷載的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

應(yīng)提取控制段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)荷載力，作為滿足試驗(yàn)規(guī)范中試驗(yàn)段要求的等效靜荷載布置的目標(biāo)。

3.3 確定等效靜載加載位置

根據(jù)影響線和最不利布置原則，計算加載車輛數(shù)量并監(jiān)控具體加載位置，使加載截面達(dá)到相同或等效的內(nèi)力響應(yīng)水平。

3.4 判斷加載效率

根據(jù)《公路橋梁荷載規(guī)程》計算等效靜載的加載效率，作為判斷出具的靜載試驗(yàn)方案是否合理的主要依據(jù)。

4 橋梁靜載試驗(yàn)計算

4.1 計算模型的建立

梁橋的工作狀態(tài)是在分級靜載試驗(yàn)后確定的，其內(nèi)力的最不利位置是根據(jù)內(nèi)力包絡(luò)圖和常規(guī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的結(jié)果確定的。

4.1.1 由橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil2016計算得出的彎矩包絡(luò)圖見圖1所示。經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析精確的計算確定該聯(lián)的內(nèi)力控制斷面。

經(jīng)過分析，確定的3個主要內(nèi)力控制斷面分別為：

4.1.1.1 邊跨最大正彎矩斷面；

4.1.1.2 支點(diǎn)負(fù)彎矩斷面；

4.1.1.3 中跨跨中最大正彎矩斷面[4]；

圖1 主橋右幅（97.687+153+97.506）m標(biāo)準(zhǔn)活載作用下全橋彎矩My包絡(luò)圖

根據(jù)包絡(luò)圖，經(jīng)分析確定3個主要內(nèi)力控制斷面見圖2：

圖2 主橋右幅（97.687+153+97.506）m各測試控制斷面布置圖 （單位：cm）

由各控制斷面確定的荷載試驗(yàn)工況： A截面處箱梁最大內(nèi)力及撓度的對稱加載試驗(yàn)；該控制斷面處的彎矩影響線見圖3。

圖3 A斷面處彎矩影響線圖

4.2 靜載測點(diǎn)布置

在橋梁的每個正彎矩和負(fù)彎矩控制斷面布置不少于7個應(yīng)力（應(yīng)變）測點(diǎn)，主要是為了測試橋梁主要構(gòu)件的每個控制斷面在最大彎矩的作用下的受力情況[5]。靜載測點(diǎn)布置見圖4所示：

圖4 截面靜載測點(diǎn)布置圖

4.3 結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變（剪應(yīng)力）測點(diǎn)布置

采用直角型應(yīng)變花，1組直角型應(yīng)變花由3支呈45°間隔分布的傳感器組成。在支點(diǎn)截面附近處腹板表面布置1組應(yīng)變花，主要測量支點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)在中性軸附近的剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力[6]。3支傳感器編號分別為E0、E45、E90。腹板表面應(yīng)變花測點(diǎn)的具體構(gòu)造見圖5。

圖5 應(yīng)變花具體構(gòu)造圖 （單位：cm）

4.4 靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)按下式計算。

式中：Sstat：靜載試驗(yàn)荷載的作用下加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計算效應(yīng)值；S：控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計算值；μ：沖擊系數(shù)[7]。

5 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果評定

橋梁荷載試驗(yàn)和橋梁完工狀態(tài)下單梁荷載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理基本相同，計算出結(jié)構(gòu)的總位移值（或總應(yīng)力）、結(jié)構(gòu)的彈性位移（或應(yīng)力）值、結(jié)構(gòu)的殘余位移（或應(yīng)力）值，相對殘余位移（或電壓）和校準(zhǔn)系數(shù)值。此外，當(dāng)有支點(diǎn)發(fā)生沉降時時，必須校正沉降點(diǎn)。

6 結(jié)束語

本文對試驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)條件、荷載施加、計算模型建立、計算跨徑的選擇、測點(diǎn)布置及加載方式做了基本闡述，在試驗(yàn)過程中需要對多個截面試驗(yàn)工況進(jìn)行分析，文中只針對個截面進(jìn)行分析，希望對類似項(xiàng)目橋梁荷載試驗(yàn)檢測工作具有參考意義。