橋梁斜截面抗剪工況靜載試驗(yàn)計(jì)算分析

蔣凌杰 吳志隆 吳維彬

摘要：文章以實(shí)際工程橋梁靜載試驗(yàn)為例，介紹支點(diǎn)附近斜截面抗剪工況的靜載試驗(yàn)方法，對比采用Midas桿系模型和Ansys實(shí)體模型計(jì)算的斜截面應(yīng)力理論值，結(jié)合靜載試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)分析和理論數(shù)據(jù)分析，得到斜截面抗剪工況理論值。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用桿系模型計(jì)算的結(jié)果存在較大偏差，會造成靜載試驗(yàn)的評定結(jié)果不合理。因此，進(jìn)行支點(diǎn)附近斜截面抗剪工況理論應(yīng)變計(jì)算時(shí)應(yīng)采用實(shí)體模型。

關(guān)鍵詞：靜載試驗(yàn);斜截面抗剪;荷載試驗(yàn)效率;實(shí)體模型;校驗(yàn)系數(shù)

中圖分類號：U442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 130I：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.026

文章編號：1673-4874（2019）10-0090-03

0 引言

橋梁荷載試驗(yàn)是評定橋梁整體承載能力的直接而重要的手段，而橋梁靜載試驗(yàn)是荷載試驗(yàn)的主要內(nèi)容之一，通過靜載試驗(yàn)可以評定結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、剛度等。對于簡支橋梁的靜載試驗(yàn)，主要試驗(yàn)工況為跨中截面最大正彎矩工況，附加工況為支點(diǎn)附近截面抗剪工況。通過試驗(yàn)結(jié)果分析得到各工況下荷載試驗(yàn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和撓度校驗(yàn)系數(shù)，以此綜合評定結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足相應(yīng)荷載等級的要求。

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析是橋梁荷載試驗(yàn)的核心工作，準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)計(jì)算是保證荷載試驗(yàn)評定結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。靜載試驗(yàn)的計(jì)算內(nèi)容主要包括荷載試驗(yàn)效率的計(jì)算和理論效應(yīng)值（應(yīng)變及撓度）的計(jì)算。對于跨中截面最大正彎矩工況，常規(guī)橋梁靜載試驗(yàn)采用桿系模型即可滿足計(jì)算精度的要求，同時(shí)又兼顧經(jīng)濟(jì)性。對于附加試驗(yàn)工況支點(diǎn)附近截面抗剪工況，對截面斜向應(yīng)變的計(jì)算，采用桿系模型進(jìn)行計(jì)算可能存在較大的誤差，因此需要分析該工況下單獨(dú)采用桿系模型進(jìn)行計(jì)算的適用性。

本文試驗(yàn)對象為某加固工程更換上部結(jié)構(gòu)的簡支橋跨，更換的上部結(jié)構(gòu)為跨徑16m的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，小箱梁采用C50混凝土，橫向布置5片，濕接縫連接，橋墩為雙柱式橋墩，橋面鋪裝為水泥混凝土，橋面凈寬為8.0m。本橋是利用部分原結(jié)構(gòu)的加固工程，橋梁加固后的設(shè)計(jì)荷載采用原汽車荷載等級為汽車-超20級。

1荷載試驗(yàn)實(shí)施步驟

1.1荷載試驗(yàn)效率

確定荷載試驗(yàn)荷載等級后，可根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值作為控制效應(yīng)，通常控制效應(yīng)采用內(nèi)力效應(yīng)值，根據(jù)確定的控制內(nèi)力效應(yīng)值，在給定的荷載試驗(yàn)效率范圍下，采用影響線加載的方法反算得到試驗(yàn)所需加載車輛的數(shù)量及加載位置。一般新橋的靜載試驗(yàn)荷載效率取值為0.85-1.05，舊橋靜載試驗(yàn)荷載效率取值為0.95-1.05。

本橋試驗(yàn)跨橫向布置為5片梁，采用單梁桿系模型計(jì)算結(jié)構(gòu)在汽車荷載作用下的效應(yīng)值乘以各梁的橫向分布系數(shù)得到每片梁的設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)S，依據(jù)結(jié)構(gòu)基頻計(jì)算沖擊系數(shù)μ，采用影響線加載計(jì)算每片梁的試驗(yàn)荷載效應(yīng)S。經(jīng)計(jì)算，本次試驗(yàn)采用4輛34t車輛加載，荷載試驗(yàn)效率達(dá)到0.96，可滿足規(guī)范要求。各梁的荷載試驗(yàn)效率結(jié)果如表1所示。

1.2 測點(diǎn)布置

本次在5片小箱梁左右腹板均布置1個(gè)斜向應(yīng)變測點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)測點(diǎn)，編號依次為S1-S10，測點(diǎn)布置見圖1。

1.3試驗(yàn)加載布置

靜載試驗(yàn)工況為不利的偏載工況，試驗(yàn)采用2級加載和1級卸載。加載程序如下：

（1）加載前，將加載汽車過地磅稱重，滿足試驗(yàn)要求車重后進(jìn)行加載。

（2）正式加載前，對試驗(yàn)跨進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓后進(jìn)行第一次空載讀數(shù)，同時(shí)記錄該時(shí)刻的氣溫。

（3）正式實(shí)施試驗(yàn)加載，每級汽車荷載駛?cè)胫付ǖ膮^(qū)域就位后，穩(wěn)定15min記錄加載后開始試驗(yàn)觀測第一次讀數(shù)，間隔10min再記錄加載的第二次讀數(shù)，兩次讀數(shù)差均小于前次讀數(shù)增量的10%時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)變形已趨穩(wěn)定。此時(shí)所記錄的數(shù)據(jù)為試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)。

（4）滿載完成后進(jìn)行一次卸載，穩(wěn)定20min后觀測應(yīng)變數(shù)據(jù)。加載布置見圖2。

2 測點(diǎn)斜截面應(yīng)力理論值計(jì)算

校驗(yàn)系數(shù)是反映橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況與理想狀況的偏差、確定結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標(biāo)。靜載試驗(yàn)中，通過試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測應(yīng)變值和理論應(yīng)變值，計(jì)算應(yīng)變的比值確定校驗(yàn)系數(shù)，理論應(yīng)變值計(jì)算的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵。

對于支點(diǎn)附近斜截面抗剪工況下測點(diǎn)斜向應(yīng)變值，采用常規(guī)桿系模型計(jì)算截面位置主應(yīng)力，再按照橫向分布系數(shù)來計(jì)算各個(gè)梁的斜截面應(yīng)變值;而采用實(shí)體模型直接確定各個(gè)測點(diǎn)位置的斜向應(yīng)變值。采用Midas Civil建立的桿系模型和ANSYS建立的實(shí)體模型見圖3-4，測點(diǎn)斜向應(yīng)變計(jì)算結(jié)果對比見表2。

表2數(shù)據(jù)顯示，滿載工況下，采用桿系模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果存在差異：非偏載側(cè)梁斜向應(yīng)變值，兩者應(yīng)變值大小差異明顯，測點(diǎn)應(yīng)力類型也有不同，偏載側(cè)梁的斜向應(yīng)變值差異較小，偏差率在20%內(nèi)，試驗(yàn)控制梁的偏差值最小。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果對比分析

對某加固工程試驗(yàn)橋跨進(jìn)行了支點(diǎn)附近斜截面抗剪工況試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為偏載工況，靜載試驗(yàn)應(yīng)變測試結(jié)果分析見表3，實(shí)測應(yīng)變及理論應(yīng)變對比分析見圖5。

測試結(jié)果表明：

（1）實(shí)測應(yīng)變結(jié)果與實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果較為吻合，采用實(shí)體模型理論應(yīng)變值計(jì)算的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果合理。

（2）桿系模型計(jì)算結(jié)果在#-3#梁左右測點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)測不一致。導(dǎo)致采用桿系模型計(jì)算的理論值進(jìn)行應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算時(shí)，校驗(yàn)系數(shù)存在負(fù)值，結(jié)果不合理。而偏載側(cè)的4*-5*號梁采用兩種模型理論值計(jì)算的測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果偏差相對較小。

（3）結(jié)合荷載試驗(yàn)實(shí)測的斜截面應(yīng)變結(jié)果分析可知，實(shí)體模型應(yīng)變理論值與實(shí)測值較為吻合，各個(gè)測點(diǎn)按照實(shí)體模型計(jì)算的校驗(yàn)系數(shù)均合理，表明在進(jìn)行支點(diǎn)附近斜截面抗剪工況時(shí)，應(yīng)采用實(shí)體模型進(jìn)行理論值計(jì)算。

4 結(jié)語

本文以某工程橋梁荷載試驗(yàn)為依托，介紹了橋梁靜載試驗(yàn)的基本步驟和分析方法，文中對比分析了基于桿系模型程序計(jì)算的斜截面理論值和實(shí)體模型計(jì)算的理論值，認(rèn)為兩者計(jì)算結(jié)果有一定的偏差，尤其在非偏載側(cè)的測點(diǎn)斜向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果存在明顯的差異。結(jié)合靜載試驗(yàn)實(shí)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，實(shí)體模型計(jì)算各梁的應(yīng)變結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相吻合，分析得到的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)合理;而采用常規(guī)桿系模型計(jì)算各梁的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，會導(dǎo)致計(jì)算的校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果不合理，尤其在非偏載側(cè)結(jié)果偏差大。因此，在進(jìn)行支點(diǎn)附近斜截面荷載試驗(yàn)抗剪工況時(shí)，應(yīng)采用實(shí)體模型計(jì)算斜截面應(yīng)變理論值。本文通過對該橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，為同類橋梁靜載試驗(yàn)提供參考。