大跨度橋梁荷載試驗結(jié)構(gòu)變形測試與分析
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畢雨田
（武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢430070）
摘要 采用橋梁靜載試驗是對在役橋梁安全評價的有效方法。文中通過對某5跨連續(xù)箱梁橋
進(jìn)行靜荷載試驗，利用有限元軟件建立全橋數(shù)值仿真模型，分別分析該橋在2～3跨、3～4跨時L/2截面和L/4截面的撓度值；4號墩墩頂荷載下負(fù)彎矩值。經(jīng)過測試，該橋在跨中截面最大的撓度值為11.1 mm，而計算值為11.5 mm。對3種荷載工況下的撓度值進(jìn)行對比分析，得出該橋的實測值和理論計算值吻合較好，表明該橋具有足夠的橋梁安全儲備。
關(guān)鍵詞 橋梁靜載試驗撓度工況
經(jīng)過改革開放30多年的發(fā)展，我國公路橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就。然而在役橋梁的健康問題始終困擾著橋梁研究人員，這些困境的解決要求不斷深化橋梁檢測理論。橋梁靜載試驗?zāi)軌蚍浅Ｓ行У嘏袛鄻蛄旱某休d能力，從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力。本文主要研究某橋在3種荷載工況下的撓度變形，以及對實測值和理論計算值進(jìn)行分析對比，從而來判斷橋梁的安全性能。
1靜載試驗
1.1靜載試驗的基本內(nèi)容
橋梁靜載試驗是判定橋梁承載力性能的步驟之一，其方法主要是在橋梁缺陷較多處，病害比較嚴(yán)重的位置，以及全橋中最不利的截面等處布置測點。靜載試驗可以有效地判斷橋梁結(jié)構(gòu)的強度和剛度，而對于不同的橋型，其主要加載位置和檢測內(nèi)容有所差異。如簡支梁主要是主梁跨中正彎矩及撓度；連續(xù)梁主要是支座負(fù)彎矩、中跨跨中正彎矩及撓度、邊跨L/4正彎矩及撓度；懸臂梁主要是支座負(fù)彎矩、懸臂端撓度、掛梁跨中彎矩及撓度、邊跨跨中正彎矩及撓度。本文選取連續(xù)梁橋作為研究對象，主要分析該橋的支座負(fù)彎矩、中跨跨中正彎矩及撓度、邊跨L/4正彎矩及撓度等技術(shù)參數(shù)。
1.2有限元分析
某大橋為5跨連續(xù)箱梁，箱梁為變截面單箱單室，三向預(yù)應(yīng)力體系，懸澆施工。橋梁寬度：0. 50 m(防撞護欄)+11 m(行車道)+0. 50 m（防撞護欄）=12 m。設(shè)計荷載：公路一I級。利用有限元軟件Midas/Civil建立檢測橋梁有限元模型，主要計算在加載車輛作用下的模擬荷載進(jìn)行撓度、位移分析。有限元模型建立主要采用梁單元，采用變截面箱梁。全橋共建立307個節(jié)點，320個單元見圖1。
本文結(jié)合某橋特征，分析3種荷載工況下的撓度變化。①計算2～3跨跨中截面對稱荷載時正彎矩的承載能力，由試驗方案中車輛分布情況結(jié)合建立有限元模型，選取有限元軟件中41，42節(jié)點，41單元作為計算位置，計算出最大位移為10. 31 mm。見圖2；②計算3～4跨中截面對稱荷載時正彎矩的承載能力，由試驗方案中車輛分布情況結(jié)合建立有限元模型，選取有限元軟件中80，81節(jié)點，80單元作為計算位置，最大位移為11. 30 mm。見圖3；③計算3～4號墩之間距4號墩中心5. 75 m)承受（對稱荷載）負(fù)彎矩的承載能力。由試驗方案中車輛分布情況結(jié)合建立有限元模型，選取有限元軟件中133，134節(jié)點，133單元作為計算位置，最大位移為4. 06 mm。見圖4。選取2～3跨跨中進(jìn)行剪力影響線分析。見圖5。選取3～4跨跨中進(jìn)行剪力影響線分析。見圖6。
1.3試驗方案
本次試驗采用410 kN雙后軸載重車計算試驗車位，見圖7。
試驗完成后按實際加載車重量重新計算理論值。主要技術(shù)指標(biāo)如下。
軸距：前軸距中軸3.5 m；中軸距后軸1.35 m。
軸重：前軸70 kN；中軸170 kN；后軸170 kN。
2試驗過程分析
2.1 控制截面設(shè)置
對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋承載能力試驗的內(nèi)力或撓度控制截面規(guī)定，結(jié)合某大橋主橋的實際情況，選定2～3跨、3～4跨和4號墩墩頂附近截面進(jìn)行加載。
2.2試驗工況
試驗工況1。本工況主要檢驗2～3跨中截面A承受（對稱荷載）正彎矩的承載能力。試驗工況1車輛布置見圖8。
試驗工況2。本工況主要檢驗3～4跨中截面B承受（對稱荷載）正彎矩的承載能力。試驗工況2中各車輛分布同圖8布置。
試驗工況3。本工況主要檢驗4號墩墩頂附近截面C(3～4號墩之間距4號墩中心5.75 m)承受（對稱荷載）負(fù)彎矩的承載能力。試驗工況3見圖9。
本次試驗共安排3個試驗工況，以檢測試驗控制截面承受對稱時的承載能力，試驗?zāi)康�、效率系�?shù)等詳見表1。
表1中列出了各試驗工況的目的，為使效率系數(shù)（加上沖擊系數(shù)影響）宜在0. 95～1. 05左右，將根據(jù)試驗車輛的軸載與軸距，通過有限元軟件，計算出試驗車輛數(shù)和布載位置。
2.3實測值和理論值對比分析
在各試驗工況下的試驗車輛加載前、加載中和卸載后，對橋梁撓度進(jìn)行測量。撓度測量采用精密水準(zhǔn)儀，架設(shè)在遠(yuǎn)離試驗跨的橋臺或橋墩處的橋面，以確保試驗時水準(zhǔn)儀架設(shè)處的撓度十分微小，各撓度測點均作好明顯標(biāo)志，保證各工況3
測量的測點一致性。
各工況下的橋梁撓度實測數(shù)據(jù)分別列于表2，為了形象地反映撓度實測值與理論計算值的關(guān)系，將各工況的撓度曲線繪于圖10～11。
由表2、圖10～11可見，3個工況的主要撓度校驗系數(shù)在0. 60～0.98之間，均在0.60～1. 00的正常范圍之內(nèi)。最大撓度為11.5 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)定橋跨L/600的8.2 cm，表明橋梁的剛度滿足設(shè)計要求。
3結(jié)語
橋梁檢測是一項復(fù)雜而細(xì)致的工作，要求檢測人員具有豐富的檢測技術(shù)和經(jīng)驗，并且能夠模擬出實際荷載情況。本文結(jié)合工程實際，通過對主橋3個工況進(jìn)行靜載試驗，結(jié)合有限元軟件計算出橋梁結(jié)構(gòu)的理論撓度值，對比現(xiàn)場實測值并且進(jìn)行分析，得到該橋的撓度和校驗系數(shù)均在正常范圍之內(nèi)。說明橋梁的強度和剛度均滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)處于彈性變形狀態(tài)。同時，本文也討論了橋梁檢測靜載試驗中的荷載布置原則和工況設(shè)計，希望能夠為以后的橋梁檢測工作提供一些借鑒。
