采用有限元軟件研究橋梁加載效率超限的問題

周琳琳，賈海浩

(1. 長安大學(xué);2.中國水電第十五工程局有限公司路橋工程公司)

1 引 言

橋梁荷載試驗(yàn)的目的是通過加載試驗(yàn)，評價(jià)橋梁技術(shù)狀況，記錄橋梁在荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，為橋梁承載能力評定和日后養(yǎng)護(hù)、維修和加固提供科學(xué)依據(jù)和支持。確保橋梁處于良好的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對營運(yùn)橋梁進(jìn)行有效管理和監(jiān)控。

對不等跨徑連續(xù)梁橋，在中、邊跨跨徑差距較大時(shí)易產(chǎn)生對主要測試斷面進(jìn)行加載而其他截面加載效率超限的問題，對橋梁結(jié)構(gòu)造成不必要的破壞。雖然橫多人認(rèn)識到了這點(diǎn)，但是在這方面鮮有研究，因此研究不等跨連續(xù)梁的加載效率十分必要。

針對以上情況，采用有限元軟件MIDAS/CILVAL、橋梁博士，選擇三種中、邊跨跨徑差距較大的橋型對主要測試截面進(jìn)行加載，并計(jì)算出加載效率，且對可能出現(xiàn)超載情況的截面進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。得出邊跨最大正彎矩并不在0.4L 位置處及隨著橋梁跨徑增大，在測試墩頂斷面時(shí)橋梁其他主要測試截面加載效率超限問題趨于明顯的結(jié)論，為以后不等跨橋梁的加載提供理論依據(jù)。

2 不等跨連續(xù)箱梁控制截面

建立25 m+35 m +25 m、30 m +50 m +30 m 、50 m +80 m+50 m現(xiàn)澆變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁有限元模型，并做出三種橋型的包絡(luò)圖，從包絡(luò)圖可以得出:25 m +35 m+25 m 邊跨最大正彎矩位于0.44 L 位置處;30 m +50 m +30 m 邊跨最大正彎矩位于0.45 L 位置處;50 m +80 m +50 m 邊跨最大正彎矩位于0.44 L 位置處。并列出25 m+35 m+25 m 包絡(luò)圖如圖1 所示，該橋0.44 L、墩頂、第二跨跨中截面彎矩影響線見圖2～圖4。

圖1 25 m+35 m+25 m 現(xiàn)澆箱梁彎矩包絡(luò)圖

圖2 25 m+35 m+25 m 邊跨0.44L 截面彎矩影響線

圖3 25 m+35 m+25 m 墩頂截面彎矩影響線

圖4 25 m+35 m+25 m 中跨跨中截面彎矩影響線

3 加載工況

三種橋型加載工況如下:工況1、2:邊跨正彎矩最不利斷面加中、偏載;工況3、4:墩頂負(fù)彎矩最不利斷面加中偏載;工況5、6:中跨正彎矩最不利斷面加中、偏載。

三種橋型加載車均采用35 噸三軸重車，軸重分別為70 kN、140 kN 和140 kN，軸距為3.5 m、1.3 m，兩排加載車輛背向加載最小距離(兩車后軸軸距)控制為4.0 m。

4 結(jié)果及分析

4.1 25 m+35 m+25 m 橋梁結(jié)果及分析

規(guī)范規(guī)定橋梁荷載試驗(yàn)的加載效率介于0.85～1.05 之間，對該橋整體截面彎矩加載效率以1.00 控制，據(jù)此判斷其他截面加載效率是否超限，之后調(diào)整相應(yīng)控制截面加載效率，求得墩頂或跨中截面加載效率的上限。測試截面加載效率計(jì)算見表1。

表1 測試截面加載效率計(jì)算表

由各控制截面彎矩影響線可以看出，工況1、2 的加載位置，均不會(huì)對墩頂截面和中跨跨中截面造成加載效率超限的問題。工況3、4 由于加載車輛重量、數(shù)量及間距的影響，加載效率僅能達(dá)到0.91。

當(dāng)工況3、4 墩頂負(fù)彎矩加載效率達(dá)到0.91 時(shí)，加載位置如圖6 中圖b。計(jì)算表明，此時(shí)第一排車中軸截面加載效率為0.99，第二排車中軸截面位置的加載效率為0.95，跨中截面的加載效率0.86。經(jīng)過上述驗(yàn)算可知，墩頂負(fù)彎矩采用2 排車加載達(dá)到最大加載效率0.91 時(shí)，加載車所在截面正彎矩加載效率均在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)，加載安全。

4.2 30 m+50 m+30 m 橋梁結(jié)果及分析

測試截面加載效率計(jì)算見表2。

表2 測試截面加載效率計(jì)算表

由各控制截面彎矩影響線可以看出，工況1、2 的加載位置，均不會(huì)對墩頂截面和中跨跨中截面造成加載效率超限的問題。工況3、4 由于加載車輛重量、數(shù)量及間距的影響，加載效率僅能達(dá)到0.96。

當(dāng)工況3、4 墩頂負(fù)彎矩加載效率達(dá)到0.96 時(shí)，計(jì)算表明，第一排車中軸截面正彎矩加載效率為1.06，超出規(guī)范上限值，第二排車中軸截面(即跨中截面)加載效率為1.05，達(dá)到規(guī)范上限值。因此將墩頂負(fù)彎矩加載效率調(diào)整為0.95，此時(shí)第一排車中軸截面加載效率為1.04，第二排車中軸截面位置的加載效率為1.03，跨中截面的加載效率1.05。因此對該橋型，墩頂負(fù)彎矩的加載效率上限值建議控制在0.95 以內(nèi)。

4.3 50 m+80 m+50 m 橋梁結(jié)果及分析

測試截面加載效率計(jì)算見表3。

表3 測試截面加載效率計(jì)算表

由各控制截面彎矩影響線可以看出，工況1、2 的加載位置，均不會(huì)對墩頂截面和中跨跨中截面造成加載效率超限的問題。對工況3、4 加載方案驗(yàn)算不利截面的加載效率計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 墩頂0.82 加載效率對應(yīng)其余截面加載效率表

從表4 可以看出，3、4 工況下墩頂負(fù)彎矩加載效率為0.82 時(shí)，第一排車中軸截面的正彎矩加載效率超限，第二排車中軸截面正彎矩加載效率達(dá)到規(guī)范上限，跨中截面正彎矩加載效率在規(guī)范范圍之內(nèi)。而此時(shí)3、4 工況的兩排車已位于墩頂最大負(fù)彎矩影響線峰值附近，且兩排車距離已到4.0 m 限值。

調(diào)整3、4 工況兩排車的位置使其加載效率為0.81，使其他截面對應(yīng)的加載效率在規(guī)范加載效率之內(nèi)，加載效率計(jì)算見表5。

表5 墩頂0.81 加載效率對應(yīng)其余截面加載效率表

當(dāng)調(diào)整5、6 工況兩排車的位置，使中跨跨中截面的加載效率達(dá)到規(guī)范上限1.05 時(shí)，對應(yīng)其他截面的加載效率見表6。

表6 中跨跨中截面1.05 加載效率對應(yīng)其余截面加載效率表

表7 墩頂負(fù)彎矩加載效率表

以上計(jì)算表明:當(dāng)邊、中跨跨徑差值較大時(shí)，兩排加載車不能滿足墩頂加載效率的要求，必須采用至少三排重車進(jìn)行加載，且第三排車須布置在第一跨或第三跨適當(dāng)位置，本橋墩頂加載效率最大為1.03，加載效率計(jì)算見表7;另外計(jì)算某截面加載效率時(shí)，需對其他截面的加載效率進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，以免其他截面加載效率超限。

5 結(jié) 論

從選擇的三種不等跨橋型的加載方案及相關(guān)驗(yàn)算來看，可得出如下結(jié)論。

(1)邊跨最大正彎矩并不在0.4L 位置處，需要通過計(jì)算確定邊跨最不利截面位置，從而確定邊跨加載控制截面。

(2)計(jì)算表明:橋型一在中跨布置2 排車輛加載時(shí)，墩頂負(fù)彎矩最大加載效率達(dá)0.91，加載車所在截面正彎矩加載效率均在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)，加載安全。樣本橋型二在中跨布置2 排車輛加載時(shí)，墩頂負(fù)彎矩最大加載效率為0.96，加載車所在部分截面正彎矩加載效率超限;樣本橋型三在中跨布置2 排車輛加載時(shí)，墩頂負(fù)彎矩最大加載效率僅為0.82，而此時(shí)加載車所在部分截面正彎矩加載效率已超限，由此可見，隨著橋梁跨徑增大，不等跨橋梁主要測試截面加載時(shí)其他截面加載效率超限問題趨于明顯。

(3)當(dāng)跨徑較大時(shí)，跨中布置2 排加載車，墩頂負(fù)彎矩最大加載效率達(dá)不到規(guī)范規(guī)定值，需增加車輛，此時(shí)應(yīng)盡量將加載車布置在橋墩兩側(cè)提升加載效率，避免中跨截面的正彎矩加載效率超限。

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