砼斜拉橋靜載試驗中MIDAS/FEA的應用

魯宏偉

(佛山市公路橋梁工程監測站,廣東佛山 528041)

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砼斜拉橋靜載試驗中MIDAS/FEA的應用

魯宏偉

(佛山市公路橋梁工程監測站,廣東佛山 528041)

摘要:以廣東省佛山市禪西大道二期工程一標中的主體工程砼斜拉橋石灣特大橋主跨為例,通過靜載試驗,結合MIDAS/FEA計算分析,對其控制截面在最不利荷載作用下的應變、撓度和索力等理論計算值和實測值進行對比分析,確定該橋在試驗荷載作用下的承載能力是否滿足設計荷載的要求。

關鍵詞:橋梁;斜拉橋;靜載試驗;MIDAS/FEA;荷載效率;校驗系數

廣東佛山市禪西大道二期工程一標中的主體工程為砼斜拉橋石灣特大橋,其主橋采用雙塔單索面、塔梁固結、墩塔分離、墩頂設置支座的結構形式。主橋跨徑布置為90.5 m+150 m+90.5 m(14#～17#墩),全長331 m。主橋梁體采用三跨預應力C60砼變截面連續箱梁,箱梁截面采用大懸臂單箱三室形式,撐板懸臂部分在箱體兩側寬度均為8.5 m,箱體寬度為16.5 m,梁體全寬33.5 m。中墩兩側各3 m范圍內梁高5 m,中跨跨中28.8 m范圍和距邊墩29.9 m范圍內梁高3.5 m。由中墩兩側3 m開始,梁底按二次拋物線變化,由5 m漸變至3.5 m,變化范圍為57.6 m。該文對其主橋進行靜載試驗,結合MIDAS/FEA計算分析,對其受力情況進行分析,評價其承載能力。

1 靜載試驗方案

1.1 MIDAS/FEA建模與理論分析

根據橋梁施工圖文件,采用MIDAS/FEA3.0建立計算模型(見圖1)。選擇主橋第16跨跨中最大正彎矩C截面為控制截面,對主橋在設計荷載公路-Ⅰ級作用下的受力情況進行計算分析。

圖1 MIDAS/FEA3.0斜拉橋計算模型(單位:m)

1.2 加載方式

靜載試驗擬采用三軸載重汽車加載。汽車荷載的選用遵循以下原則:

(1)使各控制截面加載效率系數滿足靜力試驗荷載效率的要求。

(2)在滿足試驗要求下盡可能減少加載用車數量。采用單車重330 k N的車輛加載,其軸重、軸距及平面布置見圖2。

圖2 加載汽車軸重、軸距及平面圖(單位:m)

考慮到現場組織標準車隊困難,采用彎矩等效的原則,選用24臺330 k N加載車輛按圖3所示試驗載位進行加載,計算得在該試驗荷載作用下C截面的試驗彎矩為75 600 k N·m,設計彎矩為76 500 k N·m,試驗荷載效率為0.988,滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》(下稱“試驗方法”)的要求。

1.3 測點布置

根據“試驗方法”的要求,撓度測點沿試驗橋跨兩側的支點位置、1/4位置和跨中位置布置,并在測試截面加密布置(見圖4),C截面布置15個應變測點(見圖5)。

2 靜載試驗結果與分析

2.1 應變數據整理與分析

各級荷載作用下,C截面實測應變與MIDAS/ FEA 3.0計算應變見表1。

注:①表示一級加載;①②表示二級加載;①②③表示三級加載,①②③④表示四級加載。圖3 C截面加載車輛布置(單位:m)

圖4 撓度測點布置(單位:m)

圖5 C截面應變測點布置(單位:cm)

表1 實測應變與理論計算應變

按照“試驗方法”,實測C截面5#控制應變測點的彈性應變Se為120.0με,理論應變Sstat為127.4 με,則試驗校驗系數β=0.7＜Se/Sstat=0.942＜α= 1.05,滿足“試驗方法”的要求;實測C截面5#控制應變測點最大應變Stot為120.5με,其對應的殘余應變Sp為0.5με,則Sp/Stot=0.004≤α1=0.2,滿足“試驗方法”的要求。

各級荷載作用下,C截面的實測應變與理論計算應變比較見圖6。從中可以看出:實測應變與理論計算應變曲線的變化趨勢基本一致,實測應變小于理論計算值。

圖6 實測應變與理論計算應變比較

在最大級試驗荷載作用下,將C截面沿腹板高度布置的應變測點實測彈性應變沿截面高度進行線性回歸,結果見圖7。

圖7 實測彈性應變沿截面高度的分布

從圖7可以看出:在最大級試驗荷載作用下,實測彈性應變沿截面高度呈線性變化,線性相關系數r為0.998 1,符合平截面假定(n=5,置信度大于99%)。擬合中性軸高度為257.64 cm,大于理論值220.89 cm。

2.2 撓度數據整理與分析

各級荷載作用下,C截面的實測撓度與MIDAS/FEA 3.0計算撓度見表2。

表2 實測撓度與理論計算撓度

續表2

根據表2,按照“試驗方法”,實測C截面控制測點A7的彈性撓度Se為-60.95 mm,對應的理論計算撓度Sstat為-83.64 mm,則試驗校驗系數β= 0.7＜Se/Sstat=0.729≤α=1.05,滿足“試驗方法”的要求;實測C截面靠偏載側A7測點的最大撓度Stot為-57.63 mm,其對應的殘余撓度Sp為3.69 mm,則Sp/Stot=-0.064≤α1=0.2,也滿足“試驗方法”的要求。

最大級荷載作用下,實測C截面撓度與理論計算撓度比較見圖8。從中可見:實測撓度與理論計算撓度曲線的變化趨勢一致,實測最大撓度小于理論計算撓度。實測撓跨比為0.060 95/150=4.06× 10-4,小于設計規范允許的1/500=2.0×10-3,結構剛度滿足規范要求。

2.3 索力數據整理與分析

C截面實測索力與MIDAS/FEA3.0計算索力見表3。

圖8 A測線實測撓度與理論計算撓度比較

表3 C截面對應拉索實測索力與理論計算索力

續表3

根據測試結果,在最大級荷載作用下,斜拉索實測索力增量與理論計算索力變化量基本一致,說明在試驗荷載作用下斜拉索索力變化正常。

3 結論

綜上所述,石灣特大橋主橋控制斷面C截面在試驗荷載作用下主要測點的最大撓度和最大應變值小于理論值,且實測殘余變形小,滿足“試驗方法”的要求;實測撓度與應變分布曲線反映該橋在試驗荷載作用下處于彈性工作狀態,實測主橋最大索力變化量與理論計算索力變化量基本一致,斜拉索受力正常,該跨橋梁承載能力滿足設計荷載的要求。

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收稿日期:2016-01-12

中圖分類號:U446.1

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0195-05