高文博 朱瑞允

(1.港珠澳大橋管理局，廣東珠海 519095; 2.安徽省高速公路控股集團有限公司，安徽合肥 230022)

0 引言

新建橋梁通車之前需根據(jù)相關(guān)規(guī)范對其進行荷載試驗，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)與其在設(shè)計荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是否一致。荷載試驗結(jié)果是對橋梁的施工質(zhì)量可靠性進行綜合評估的重要依據(jù)與最有效手段［1-4］。

本文以某新建下承式混凝土剛性系桿拱橋為研究背景，建立該橋的空間梁單元數(shù)值模型，通過計算得到其在車道等效靜力荷載作用下關(guān)鍵截面的應(yīng)力和撓度響應(yīng)值，通過與試驗實測值比較分析，評定該新建橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能。

1 工程概況

下承式混凝土剛性系桿拱橋，計算跨徑90 m，拱肋計算矢高為18.0 m，計算矢跨比為1/5，考慮兩墩頂高差影響的拱軸線方程為y=(4fx/L2)(L－x)+0.275x。拱肋采用普通鋼筋混凝土矩形實體截面，截面高為1.8 m，寬為1.5 m。拱肋中心距為14.75 m，通過設(shè)置于拱頂位置的橫撐連接。主梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由系梁、橋面板、端橫梁、中橫梁所組成。系梁標準截面為實心矩形截面，截面高為1.7 m，寬為1.6 m;橋面板厚度為25 cm;端橫梁截面高度為2.45 m，寬度為4.4 m;中橫梁間距為5.0 m，截面高度為1.45 m，寬度為0.6 m。系桿拱橋見圖1。

2 仿真分析

該橋主梁為系梁、橋面板、端橫梁、中橫梁拼接而成的橋面系，將每一片系梁看成是一根獨立的梁，橫向采用連接單元進行連接，可以準確的反映該橋的空間結(jié)構(gòu)行為［5］。

圖1 下承式混凝土剛性系桿拱橋

1)有限元數(shù)值模型。依據(jù)交通部標準JTGB01-2003公路工程技術(shù)標準，JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范和JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范相關(guān)條文規(guī)定，采用有限元程序Midas 2010建立有限元數(shù)值模型。計算模型見圖2。

圖2 下承式混凝土剛性系桿拱橋有限元數(shù)值模型

2)荷載效率系數(shù)。采用上述有限元數(shù)值模型對下承式混凝土剛性系桿拱橋進行分析，得到設(shè)計荷載與試驗荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)值的比值，即荷載效率系數(shù)(見表1)。

表1 各試驗工況荷載效率系數(shù)

由上表可知，各試驗工況荷載效率系數(shù)基本處于0.8～1.05范圍之內(nèi)，符合YC4-4/1982大跨徑混凝土橋梁的試驗方法要求。

3 測試截面及試驗測點布置

3.1 應(yīng)變測點

根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖確定拱肋拱腳截面、1/4截面、跨中截面、3/4截面為拱肋主要測試截面，主梁端部變截面、跨中截面為系梁主要測試斷面。應(yīng)變測試斷面及測點布置如圖3，圖4所示。

圖3 應(yīng)變測試截面布置（單位：cm）

圖4 截面應(yīng)變測點布置（單位：cm）

3.2 撓度測點

依據(jù)活載位移圖和撓度包絡(luò)圖確定拱肋的4分點和系梁的8分點斷面為撓度測試斷面，每個斷面在橋梁上下游護欄內(nèi)側(cè)及主梁底面位置布設(shè)撓度測點，撓度測試截面與撓度測點布置如圖5，圖6所示。

圖5 撓度測試截面布置（單位：cm）

圖6 撓度應(yīng)變測點布置（單位：cm）

3.3 吊桿索力增量測點布置

各測試工況下，選擇加載位置附近3對吊桿進行索力增量測試。

4 試驗測試結(jié)果與分析

4.1 撓度測試結(jié)果及分析

限于篇幅，文中僅給出拱頂截面最大正彎矩、最大豎向位移中載工況下的試驗測試結(jié)果及其與理論值的對比(見表2，表3)。

表2 中載工況拱肋撓度實測值與理論值比較

表3 中載工況系梁豎向位移實測值與理論值比較

4.2 應(yīng)力測試結(jié)果及分析

拱頂截面最大彎矩(豎向位移)中載工況上游側(cè)拱肋測點應(yīng)力實測值與理論值比較見表4。

4.3 吊桿索力測試結(jié)果及分析

拱頂截面最大彎矩(豎向位移)中載工況控制吊桿索力實測值與理論值比較見表5，圖7。

表4 中載工況上游側(cè)拱肋測點應(yīng)力實測值與理論值比較

表5 中載工況控制吊桿索力實測值與理論值比較

圖7 吊桿索力實測值與理論值比較

5 結(jié)語

1)各試驗工況作用下，結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力實測值與理論值變化趨勢一致，表明文中所采用的有限元數(shù)值模型能準確反映結(jié)構(gòu)在荷載作用下的真實響應(yīng);

2)該橋進行的各工況荷載試驗的荷載效率系數(shù)均處在0.76～1.02之間，試驗實測結(jié)果能準確反映橋梁結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài);該橋在設(shè)計荷載作用下各主要受力機構(gòu)均處于安全狀態(tài)，可以滿足實際使用要求;

3)荷載作用下拱肋最大豎向撓度－11 mm，系梁最大撓度+12 mm，遠小于規(guī)范l/800=90 000/800=112.5 mm的規(guī)定，該橋的剛度滿足設(shè)計要求且有一定的安全儲備。卸載后，橋梁結(jié)構(gòu)殘余變形較小，表明在試驗荷載作用下，結(jié)構(gòu)均處于彈性工作范圍;

4)試驗荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力實測值與理論值變化趨勢一致，且實測值均小于理論值，橋梁結(jié)構(gòu)的強度滿足規(guī)范要求，并有一定的承載潛力。

［1］諶潤水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］YC4-4/1982，大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［Z］.

［3］譚冬蓮，寧 立，游金蘭.預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁施工現(xiàn)場的靜載試驗研究［J］.筑路機械與施工機械化，2007，24(4)：51-53.

［4］張秋陵，肖光宏.奉節(jié)長江大橋成橋荷載試驗研究［J］.世界橋梁，2009(1)：46-48.

［5］E.C.漢勃利.橋梁上部結(jié)構(gòu)性能［M］.郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.