基于梁格法的斜交異形連續(xù)箱梁橋荷載試驗(yàn)分析

程 曦 ，羅 熹 ，鄒 鑫

1.南京市城市建設(shè)投資控股（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210061

2.柳州市城市投資建設(shè)發(fā)展有限公司，廣西 柳州 450202

3.中鐵橋隧技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210061

近年來(lái)，城市交通建設(shè)蓬勃發(fā)展，尤其是互通立交高架橋梁日益增多。為滿足線路跨越及交通線路順暢的需求，斜交、變寬、彎曲等異形箱梁得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)澆單箱多室箱梁憑借其整體性好、梁高較小、施工方便、外形優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)成為首選。以往研究結(jié)果表明，以等效梁格代替橋梁上部結(jié)構(gòu)的梁格法是橋梁結(jié)構(gòu)空間分析中一種實(shí)用有效的方法，并且對(duì)分析彎、斜梁橋特別有效[1]。陳博[2]、韓小宇[3]針對(duì)異形箱梁橋，通過(guò)板單元模型與梁格模型的對(duì)比計(jì)算，驗(yàn)證了梁格法的可靠性。楊成龍[4]針對(duì)分叉式異形結(jié)構(gòu)橋梁靜力分析，對(duì)比解析法、半解析法、數(shù)值分析法的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)梁格法具有計(jì)算精度較高、工程適用性強(qiáng)、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)，并驗(yàn)證了梁格分析法的準(zhǔn)確性。文章以某座斜交變寬連續(xù)箱梁彎橋荷載試驗(yàn)為例，基于梁格法構(gòu)建有限元模型，將試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，以評(píng)價(jià)橋梁的工作性能。

1 工程概況

某城市整體現(xiàn)澆斜交變寬連續(xù)彎梁橋，孔跨布置為28m+45m+28m+25m。箱梁采用單箱五室截面，梁高為2.4m，橋?qū)?3.52～25.30m?？缰许敯搴?0cm，底板厚30cm，腹板厚度分別為40cm、50cm；箱室兩端腹板厚度漸變至60cm、70cm。設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，設(shè)計(jì)行車車速為60km/h，箱梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50。橋梁平面布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁平面布置圖（單位：m）

2 有限元模型建立

采用Midas/Civil有限元分析軟件建立空間梁格模型，計(jì)算分析橋梁結(jié)構(gòu)有限元靜力、動(dòng)力。通過(guò)靜力分析計(jì)算出各控制截面內(nèi)力最不利加載的范圍，確定加載輪位，在此基礎(chǔ)上加載橋梁結(jié)構(gòu)模型，得出各試驗(yàn)工況結(jié)構(gòu)響應(yīng)的理論計(jì)算值，以此為參考依據(jù)，保證靜載試驗(yàn)安全順利開(kāi)展；動(dòng)力分析仿真結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主模態(tài)，初步掌握結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特點(diǎn)，為動(dòng)力測(cè)點(diǎn)的布置和實(shí)橋模態(tài)分析奠定基礎(chǔ)。梁格劃分基于腹板、邊腹板、中腹板，縱梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐植捎忙有谓孛?、工形截面，另在左右翼板邊緣各劃?道虛擬縱梁，全橋共8道縱梁?jiǎn)卧?，有限元梁格模型如圖2所示。

圖2 梁格模型圖

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況

橋梁靜載試驗(yàn)按橋梁結(jié)構(gòu)的受力最不利和代表性原則確定試驗(yàn)工況及測(cè)試截面[5]。根據(jù)梁格模型計(jì)算的設(shè)計(jì)荷載彎矩包絡(luò)圖和現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇確定2個(gè)試驗(yàn)控制截面，邊跨最大彎矩截面、中跨最大彎矩截面。采用8輛35t的載重汽車作為試驗(yàn)加載車輛，試驗(yàn)荷載效率系數(shù)在0.96～1.00，均滿足試驗(yàn)規(guī)程要求。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

在控制截面布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，翼板、腹板、底板均布置有測(cè)點(diǎn)，用以反映箱梁結(jié)構(gòu)的受力特征。在梁底對(duì)稱布置變形測(cè)點(diǎn)，用以反映箱梁試驗(yàn)截面撓度橫向分布特征。

3.3 靜載測(cè)試結(jié)果分析

各工況下跨中截面撓度分布如圖3所示。由圖3可知，實(shí)測(cè)撓度值為1.0mm，校驗(yàn)系數(shù)最大為0.8，小于1.0，滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求，表明結(jié)構(gòu)剛度滿足要求；撓度相對(duì)殘余變形率最大為13.5%，小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，有較好的彈性恢復(fù)能力。試驗(yàn)結(jié)果也表明，沿試驗(yàn)截面撓度分布呈依次增加趨勢(shì)，橫向分布規(guī)律與理論值吻合。由于非機(jī)動(dòng)車道及人行道的存在，加載過(guò)程中橋梁試驗(yàn)截面實(shí)際都處于偏載狀態(tài)。

圖3 各工況下跨中截面撓度分布

各工況下中跨截面應(yīng)變橫向分布如圖4所示。各工況下實(shí)測(cè)應(yīng)變值均包絡(luò)于理論值內(nèi)，橫向分布規(guī)律與理論值一致，實(shí)測(cè)應(yīng)變最大值為25με，校驗(yàn)系數(shù)最大為0.87，小于1.0，滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求，表明結(jié)構(gòu)剛度滿足要求；卸載后，箱梁主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)變介于-2～3με，最大相對(duì)殘余應(yīng)變率小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，有較強(qiáng)的彈性恢復(fù)能力。

圖4 各工況下中跨截面應(yīng)變橫向分布圖

各加載工況下控制截面高度方向應(yīng)變沿截面高度變化基本符合平截面假定，結(jié)構(gòu)受力良好。注意到應(yīng)變分布曲線在梁頂測(cè)點(diǎn)位置略有轉(zhuǎn)折，這與箱梁的剪力滯效應(yīng)有關(guān)，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是箱梁翼板的剪切變形使翼板遠(yuǎn)離肋板處的縱向位移滯后于肋板邊緣處，最終使彎曲應(yīng)力的橫向分布呈曲線形狀。

4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

橋梁自振頻率通過(guò)環(huán)境隨機(jī)激振法（脈動(dòng)法）測(cè)試，實(shí)測(cè)各階頻率均大于相應(yīng)理論計(jì)算頻率值，阻尼比值最大為0.98%，表明該橋?qū)嶋H整體剛度較好。該橋的豎向一階頻率值為4.465Hz，實(shí)測(cè)最大沖擊系數(shù)為1.228，小于按照橋規(guī)計(jì)算值，滿足規(guī)范要求。結(jié)果表明，試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能正常，滿足橋梁正常使用的要求。

5 結(jié)論

荷載試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）等規(guī)范的相關(guān)要求開(kāi)展，試驗(yàn)準(zhǔn)備充分，組織嚴(yán)密，測(cè)試方法、測(cè)試精度均滿足要求，采集到的數(shù)據(jù)有效、可靠。通過(guò)整理分析測(cè)試數(shù)據(jù)并與橋梁試驗(yàn)的技術(shù)依據(jù)要求相比較，評(píng)價(jià)橋梁承載能力、動(dòng)力特性等結(jié)構(gòu)特性。對(duì)比分析荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果和理論計(jì)算值，得出以下結(jié)論：

（1）該橋梁靜力荷載各工況試驗(yàn)效率在0.89～1.0，滿足試驗(yàn)規(guī)程要求；主要測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.87，均滿足小于1的要求。試驗(yàn)橋跨主要測(cè)點(diǎn)最大相對(duì)殘余變形率和相對(duì)殘余應(yīng)變率均小于20%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)均處于彈性工作狀況，該橋的承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）試驗(yàn)截面的應(yīng)變、撓度橫向分布規(guī)律與理論計(jì)算值吻合，除了翼緣板測(cè)點(diǎn)略微受剪力滯效應(yīng)影響，截面高度上應(yīng)變結(jié)果基本符合平截面假定。

（3）橋梁一階自振頻率實(shí)測(cè)值大于理論值，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度；實(shí)測(cè)最大沖擊系數(shù)為1.228，小于規(guī)范計(jì)算值，橋梁動(dòng)力性能滿足設(shè)計(jì)要求。