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        溫度變化對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)果的影響

        2019-05-18 02:25:12楊臻愷
        福建交通科技 2019年2期
        關(guān)鍵詞:溫差測(cè)點(diǎn)有限元

        ■楊臻愷

        (1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所,福州 350004;2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350004)

        1 前言

        自上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),我國(guó)公路橋梁建設(shè)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展階段,預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋如雨后春筍般隨處可見(jiàn)。如何精確評(píng)估該類梁橋的真實(shí)承載能力關(guān)系到人民生命安全與財(cái)產(chǎn)問(wèn)題。

        近年來(lái),橋梁靜載試驗(yàn)已成為評(píng)定結(jié)構(gòu)承載能力的最有效方法之一,其結(jié)果的準(zhǔn)確性與否直接影響到策略的科學(xué)性與合理性。橋梁靜載試驗(yàn)檢測(cè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性強(qiáng)、又嚴(yán)密的工作性質(zhì),其試驗(yàn)結(jié)果受多種因素制約。如文獻(xiàn)[1-2]分析表明結(jié)構(gòu)的離散化、邊界約束條件模擬、材料參數(shù)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件是影響橋梁荷載試驗(yàn)的主要因素,其中混凝土彈性模量最顯著,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件次之,單元離散化和邊界條件均較??;文獻(xiàn)[3]以某空心板橋?yàn)楣こ桃劳校捎肕idas Civil有限元軟件分析了橋面鋪裝、護(hù)欄、支座約束等因素對(duì)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)的影響,結(jié)果表明沒(méi)有考慮二期荷載得到的校驗(yàn)系數(shù)值偏低,支座約束條件對(duì)校驗(yàn)系數(shù)值影響可忽略。文獻(xiàn)[4]分別從設(shè)計(jì)軟件、計(jì)算簡(jiǎn)化、設(shè)計(jì)保守、橋梁自身缺陷等方面對(duì)校驗(yàn)系數(shù)值影響規(guī)律展開簡(jiǎn)要分析。

        綜上所述,目前學(xué)者對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)果影響值可歸為設(shè)計(jì)、有限元軟件分析、有無(wú)考慮二期荷載三大類,而關(guān)于靜載測(cè)試環(huán)境溫度變化對(duì)結(jié)果值得影響規(guī)律研究分析尚少見(jiàn)報(bào)道。為此本文以西北某預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋?yàn)楣こ瘫尘?,分析橋梁靜載試驗(yàn)前后不同溫度差異值對(duì)結(jié)果值的影響規(guī)律,該研究可為橋梁承載力的正確評(píng)定提供參考與借鑒。

        2 模型的建立

        2.1 工程背景

        某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋橋址位于西北地區(qū),夏季晝夜平均溫差值在18°左右。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí),上部橋型布置為75m=3×25m,全長(zhǎng)81m,橋型縱向布置如圖1所示。橋面總寬為11.0m,由5片T梁組合而成,每片T梁橫向間距為2.1m,翼緣板中間濕接縫寬度為0.4m,T梁高度為2.30m,其中內(nèi)梁預(yù)制寬度為1.80m,邊梁預(yù)制寬度為2.05m。主梁、濕接縫、現(xiàn)澆連續(xù)段均采用C50砼;下部采用柱式墩,橋臺(tái)采用柱式臺(tái)及肋板臺(tái)及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

        圖1 橋型縱向布置圖

        2.2 有限元模型

        采用Midas Civil軟件建立有限元分析模型,上部主梁、橫隔板、蓋梁、橋墩等構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M,橋面鋪裝層用板單元模擬。主梁與蓋梁采用不同的彈簧剛度值模擬實(shí)際支座約束,墩底按固結(jié)方式模擬邊界條件。加載試驗(yàn)車輛軸力等效為集中力分配到相應(yīng)的位置處,C50混凝土彈性模量值取3.45×105N/mm2。三維有限元模型如圖2所示。

        圖2 三維空間有限元模型

        3 靜載試驗(yàn)與分析

        為了驗(yàn)證有限元數(shù)值模型可較為精確反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境溫度變化對(duì)結(jié)果值的影響,對(duì)實(shí)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載加載試驗(yàn),并將結(jié)果值與理論值對(duì)比。

        3.1 試驗(yàn)環(huán)境

        依據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)[5]規(guī)范3.3條試驗(yàn)環(huán)境要求,荷載試驗(yàn)應(yīng)選在氣溫較為平穩(wěn)時(shí)段,盡量避開高溫、強(qiáng)光、強(qiáng)風(fēng)、雨雪等惡劣環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。為了更為真實(shí)地測(cè)試結(jié)構(gòu)承載能力,與當(dāng)?shù)貧庀蟛块T取得聯(lián)系,獲取近期72h內(nèi)的氣溫、風(fēng)速變化規(guī)律等可靠天氣預(yù)報(bào)資料,選擇最佳穩(wěn)定時(shí)段實(shí)施荷載試驗(yàn)。

        3.2 測(cè)試項(xiàng)目

        依據(jù)規(guī)范[5]要求,對(duì)投入運(yùn)營(yíng)的橋梁靜載荷載試驗(yàn)效率 宜介于0.95~1.05之間,其中ηq的計(jì)算公式如式(1):

        式中:Ss為靜載試驗(yàn)下控制截面內(nèi)力計(jì)算值;S為控制荷載下截面最不利內(nèi)力值;μ為沖擊系數(shù)。根據(jù)圖1橋型結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),擬選取1-1、2-2-、3-3三個(gè)截面進(jìn)行偏載(最不利工況)試驗(yàn)分析,分別測(cè)試每片T梁在荷載作用下的應(yīng)力(應(yīng)變)以及擾度值。

        3.3 測(cè)點(diǎn)布置

        分別在各個(gè)截面梁底布設(shè)應(yīng)變片測(cè)試點(diǎn),依照1-1、2-2、3-3 截面從右向左測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為 A1~A5、B1~B5、C1~C5,截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

        撓度測(cè)點(diǎn)主要布置在1-1、3-3截面對(duì)應(yīng)每片T梁頂面鋪裝位置處,以檢測(cè)每片T梁在車輛荷載作用下的擾度值,對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別是 A1’~A5’、C1’~C5’,跨中擾度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

        3.4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

        為了使有限元數(shù)值分析結(jié)果更能反應(yīng)實(shí)際測(cè)量值,擬加載的車輛荷載盡可能使每片T梁試驗(yàn)效率ηq均在1.00上下波動(dòng)。通過(guò)多次有限元靜載加載試驗(yàn)數(shù)值對(duì)比分析,最終采用2輛總重均為34.5t的三軸車加載。在最佳試驗(yàn)溫度環(huán)境下(試驗(yàn)前后溫差變化僅為0.5°),控制截面位置處對(duì)應(yīng)T梁梁底的應(yīng)變、擾度與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如表1~2所示。

        圖3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

        圖4 跨中截面擾度測(cè)點(diǎn)布置圖

        由表1~2可知,在相對(duì)較為穩(wěn)定溫度環(huán)境下,不論是控制截面的應(yīng)變值還是擾度值與有限元分析結(jié)果誤差值均小于2.5%,符合工程要求精度。驗(yàn)證了該橋有限元數(shù)值模型建立、分析的準(zhǔn)確性與可靠性,理論分析值可真實(shí)反映結(jié)構(gòu)工作狀況。

        表1 各截面應(yīng)變或應(yīng)力變化對(duì)比值

        表2 控制截面處的應(yīng)變/擾度相對(duì)殘余值

        4 溫度變化

        由上一節(jié)有限元數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值對(duì)比結(jié)果可知,采用Midas Civil軟件模擬分析靜載試驗(yàn)環(huán)境溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響方式是可行的。分別設(shè)置了溫度差為 2°、4°、6°、8°和 10°的五種工況。 在不同的溫差工況下,各個(gè)控制截面位置處的每片T梁應(yīng)變、擾度值與真實(shí)值誤差詳見(jiàn)表3~4,數(shù)值變化曲線圖如圖5~9所示。

        表3 不同溫差工況下控制截面的應(yīng)變誤差值(%)

        表4 不同溫差工況下控制截面的擾度誤差值(%)

        圖5 不同溫差工況下1-1截面應(yīng)變誤差值變化曲線圖

        圖6 不同溫差工況下2-2截面應(yīng)變誤差值變化曲線圖

        圖7 不同溫差工況下3-3截面應(yīng)變誤差值變化曲線圖

        圖8 不同溫差工況下1-1截面擾度值誤差變化曲線圖

        圖9 不同溫差工況下3-3截面擾度誤差變化曲線圖

        從表3及圖5~圖7可知,隨著環(huán)境溫度差從0°增大到10°時(shí),各個(gè)控制截面的應(yīng)變誤差值近似呈線性變化規(guī)律,隨著溫差的增大,誤差值也越大。其中1-1和3-3截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變誤差值受溫度差變化影響較小,最大值僅為3.79%;而2-2截面應(yīng)變誤差值受其影響尤為敏感,當(dāng)溫差在10°工況時(shí),1#T梁的應(yīng)變誤差值高達(dá)45.61%。

        從表4及圖8~圖9可知,各個(gè)控制截面的擾度測(cè)點(diǎn)誤差值均隨著檢測(cè)環(huán)境溫度差值的增大而增大。且不同的截面位置誤差值影響幅值差異較大,當(dāng)靜載試驗(yàn)環(huán)境溫差從2°增大到10°時(shí),邊跨1-1截面處的最大擾度誤差值達(dá)到了47.37%,而中跨3-3截面最大誤差值僅為6.06%。

        由上述溫差變化影響規(guī)律分析可知,不同的截面位置處的應(yīng)變、擾度誤差值受靜載試驗(yàn)環(huán)境溫度變化敏感性均有所不同,1-1截面擾度值和2-2截面應(yīng)變值受溫差變化尤其顯著,其主要是因?yàn)橹c(diǎn)梁、墩處采用固定支座連接,一方面溫度變化產(chǎn)生的梁體次內(nèi)力較難釋放,導(dǎo)致2-2截面梁?jiǎn)卧獌?nèi)力急劇增大,另一方面邊梁縱向自由伸縮,不受支座縱向約束,使得邊跨擾度誤差值增大較為顯著。

        5 結(jié)論

        總體上橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)的應(yīng)變、擾度誤差值均隨著環(huán)境溫差值的增大而增大;且不同截面處的應(yīng)變、擾度誤差值受溫差變化影響幅值差異較大,尤其是支點(diǎn)負(fù)彎矩截面處的應(yīng)變值和邊跨最大彎矩截面處的擾度值,均隨著溫差值的增大而急劇增大,其余截面對(duì)應(yīng)的內(nèi)力值受測(cè)試環(huán)境溫度變化影響較小。建議實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)時(shí),應(yīng)盡量選擇在溫度較為穩(wěn)定時(shí)段,能夠更為精確地評(píng)定實(shí)際結(jié)構(gòu)承載能力。

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