鄔曉光, 劉 英, 賀 攀, 李藝林(長安大學(xué) 陜西省橋梁與隧道重點實驗室, 陜西 西安 710064)

連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)合理取值

鄔曉光, 劉 英, 賀 攀, 李藝林
(長安大學(xué) 陜西省橋梁與隧道重點實驗室, 陜西 西安 710064)

依托8座載荷試驗橋梁,針對連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)的合理取值問題,通過有限元計算值與試驗實測值對比,分析了偏載系數(shù)的全橋分布規(guī)律,確定出連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)捒绫群透呖绫葹槠d系數(shù)的主要控制因素,提出了偏載系數(shù)計算公式,并將有限元解和公式計算值進行對比,驗證了公式精度在±5%范圍內(nèi).

連續(xù)剛構(gòu)橋; 載荷試驗; 寬跨比; 高跨比; 偏載系數(shù)

連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用變截面單箱單室或單箱多室混凝土箱梁,由于箱梁截面是一個整體,不能像裝配式空心板、T梁、小箱梁簡單地根據(jù)橫向分布影響線分配載荷[1].在偏心載荷作用下,箱梁的空間受力比較復(fù)雜,實際工程設(shè)計中,通常引入偏載系數(shù)對平面桿系計算值進行修正,以考慮箱梁的偏載效應(yīng).偏載系數(shù)可以定義為梁體某個位置在偏載作用下得到梁體的最大效應(yīng)與對應(yīng)的橫向各個位置效應(yīng)的平均值之比[2-3],其計算方法有經(jīng)驗系數(shù)法、偏心壓力法、修正的偏心壓力法等.現(xiàn)有研究大多集中于對比分析幾種常用計算方法的精度,且均為理論分析[3-7],少有結(jié)合現(xiàn)場試驗的對比分析,缺乏實例驗證;文獻[8]在常規(guī)跨度布置及截面尺寸情況下,分析得到了連續(xù)梁橋偏載系數(shù)建議值及其分布規(guī)律,但僅僅局限于特定的橋梁,通用性和可操作性有限;文獻[9-11]研究了橋梁寬跨比對偏載系數(shù)的敏感程度,但僅分析了等截面等跨度連續(xù)箱梁偏載系數(shù),對于變截面不等跨連續(xù)箱梁尚未探討.

綜上所述,現(xiàn)階段偏載系數(shù)的研究大多局限于連續(xù)梁橋,缺乏對連續(xù)剛構(gòu)橋的探討,且尚未明確偏載系數(shù)的主要影響因素及其相關(guān)關(guān)系,沒有提出切實可行的取值建議,理論研究和實踐應(yīng)用均存在一定程度的不足.基于此,本文依托8座載荷試驗連續(xù)剛構(gòu)橋,計算值與實測值對比分析偏載系數(shù)的全橋分布規(guī)律,確定偏載系數(shù)的主要影響因素并分析其數(shù)學(xué)相關(guān)關(guān)系,提出基于寬跨比和高跨比的偏載系數(shù)計算公式,并用2座連續(xù)剛構(gòu)橋的實體模型計算值驗證公式正確性,以供工程設(shè)計參考.

1 載荷試驗

1.1 依托工程

選取10座單箱單室連續(xù)剛構(gòu)橋作為研究對象,其中前8座橋為擬合樣本,后2座橋為公式驗證橋梁,其基本情況如表1所示.

1.2 靜載試驗

因試驗橋梁眾多,本文以小金河大橋為例說明載荷試驗操作事項.

經(jīng)模型分析確定該橋控制截面為邊跨0.33 L、6號墩支點、6號墩底、中跨跨中截面, 4個偏載工況. 計算各工況下控制截面內(nèi)力影響線, 根據(jù)影響線分析結(jié)果分級加載. 本次試驗共需要16輛總重各為350 kN的三軸載重汽車. 各加載工況、載荷效率如表2所示, 滿足規(guī)范[12]要求.

各測試截面撓度和應(yīng)變測點布置如圖1所示,其中應(yīng)變數(shù)據(jù)采用TDS-303靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行采集,撓度數(shù)據(jù)采用精密水準儀進行測試,并記錄數(shù)據(jù).

表1 依托連續(xù)剛構(gòu)橋梁概況Table 1 General situation of continuous rigid frame bridges

表2 偏載試驗效率表Table 2 The efficiency of the partial load test

圖1 靜載試驗測點布置圖Fig.1 Test point arrangement of static load test

1.3 試驗結(jié)果

通過靜載試驗得到小金河大橋各控制斷面偏載作用下的應(yīng)變和撓度值見表3、表4.

表3 撓度計算值與實測值Table 3 Calculating values and measured data of deflection

表4 應(yīng)變計算值與實測值Table 4 Calculating values and measured data of strain

由表3、表4計算撓度校驗系數(shù)及應(yīng)變校驗系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定,結(jié)構(gòu)剛度、強度均滿足設(shè)計要求且具有一定的安全儲備.

2 連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)研究

基于靜載試驗結(jié)果,用連續(xù)剛構(gòu)橋控制截面位置處最大值效應(yīng)(撓度和應(yīng)力)與對應(yīng)橫向各個效應(yīng)平均值之比表示偏載系數(shù),如表5所示(因分析對象較多,僅列出部分以示說明).

表5 12 m橋?qū)捲囼灅蛄浩d系數(shù)表Table 5 Eccentric load coefficient of 12 m width test bridges

由表5分析可知偏載系數(shù)沿全橋的分布是變化的,橋梁跨數(shù)較少時,邊跨(次邊跨)0.4L附近出現(xiàn)最大值,中跨跨中次之,橋墩支點位置處最小;同一座橋邊跨偏載系數(shù)大于中跨相同位置的偏載系數(shù),表明偏載系數(shù)與寬跨比有關(guān);同一跨內(nèi)L/4截面處偏載系數(shù)最大,跨中次之,橋墩支點位置處最小;對于寬跨比相近,高跨比不同的橋梁,相同位置處偏載系數(shù)相差很大,表明偏載系數(shù)與高跨比存在很大的相關(guān)性;按撓度計算的偏載系數(shù)實測值與計算值相差無幾,且均小于1.15實測值普遍大于計算值,故從撓度角度考慮設(shè)計取1.15是安全的;按應(yīng)變(應(yīng)力)計算的偏載系數(shù)實測值普遍大于計算值,且相差較大,只有少數(shù)值小于1.15,故從應(yīng)力角度考慮,設(shè)計取1.15存在安全隱患,故應(yīng)按應(yīng)力偏載系數(shù)控制設(shè)計.

3 連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)公式擬合及驗證

以上分析可知寬跨比和高跨比為連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)的主要影響因素.理論上連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計應(yīng)按偏載系數(shù)分布規(guī)律取值,即不同截面位置處取用不同值,但實際應(yīng)用時可操作性較差,且不利于提高工作效率,故借鑒經(jīng)驗法的思想宜對全橋采用統(tǒng)一的偏載系數(shù)值,取最大值控制設(shè)計.各橋梁應(yīng)力偏載系數(shù)最大值如表6所示.

表6 試驗橋梁應(yīng)力偏載系數(shù)最大值Table 6 The maximum eccentric load coefficient of test bridges

注:因應(yīng)變實測值受環(huán)境,氣候等條件影響較大,故取計算值研究.

用MATLAB擬合偏載系數(shù)與寬跨比、高跨比的三維空間關(guān)系,公式如下:

其中:ξ支、ξ中、ξ設(shè)計分別為按支點高跨比計算、按跨中高跨比計算及設(shè)計取用的偏載系數(shù);B為橋梁寬度;L為橋梁標準跨徑;H支為墩頂梁高;H中為跨中梁高.

限于試驗橋梁均采用單箱單室截面,故此公式僅適用于單箱單室截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁的設(shè)計,對于其他截面形式還需進一步探討.

為驗證偏載系數(shù)計算公式的正確性,選取榆林開關(guān)橋和S207線漢江大橋建立Midas FEA實體模型,計算各控制截面的應(yīng)力偏載系數(shù)值,將公式計算值與有限元值對比分析如表7所示.

表7 偏載系數(shù)公式計算值與有限元計算值對比分析Table 7 Comparative analysis of formula calculating values and finite element solutions of eccentric load coefficient

注:誤差=(公式值-有限元值)/有限元值.

偏載系數(shù)模型計算值與擬合公式計算值偏差在±5%范圍內(nèi),滿足工程精度要求.

4 結(jié)論及建議

(1) 偏載系數(shù)沿全橋的分布是變化的,橋梁跨數(shù)較少時,邊跨(次邊跨)0.4L附近出現(xiàn)最大值,中跨跨中次之,橋墩位置處最小.

(2) 同一跨內(nèi)L/4截面處偏載系數(shù)最大,跨中次之,橋墩位置處最小.

(3) 從撓度角度考慮,偏載系數(shù)取1.15是安全的,但從應(yīng)力角度考慮,設(shè)計取1.15存在安全隱患,應(yīng)按應(yīng)力偏載系數(shù)控制設(shè)計.

(4) 偏載系數(shù)受寬跨比和高跨比的影響較大,基于此提出偏載系數(shù)計算式(1)、式(2),實際設(shè)計時偏載系數(shù)取兩公式計算值的平均值即式(3).

(5) 本文提出的偏載系數(shù)計算公式初步滿足工程精度的要求,單箱單室或其他截面連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計可適當(dāng)參考取值同時建立空間模型進一步計算確定,以減少驗算次數(shù),保證橋梁結(jié)構(gòu)安全.

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【責(zé)任編輯: 肖景魁】

Reasonable Value of Eccentric Load Coefficient of Continuous Rigid Frame Bridge

WuXiaoguang,LiuYing,HePan,LiYilin

(Laboratory for Bridge and Tunnel, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

For the proper values of eccentric load coefficient of continuous rigid frame bridge, relying on the eight loading test bridges, the eccentric load coefficient distribution regularity of the whole bridge is analyzed by comparing the finite element calculated values with experimental measured values. It is determined that width-span ratio and high-span ratio of continuous rigid frame bridge can be the main control factors of eccentric load coefficient. A calculation formula for eccentric load coefficient is put forward, and the finite element solutions are compared with the formula calculating values to verify that the accuracy of formula is within ±5%.

continuous rigid frame bridge; load test; width-span ratio; high-span ratio; eccentric load coefficient

2016-10-21

陜西省交通運輸廳科技資助項目(13-25k).

鄔曉光(1961-),男,湖北英山人,長安大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

2095-5456(2017)01-0049-05

U 448.23

A