溫度變化對橋梁靜載試驗結果的影響

■楊臻愷

（1.福建省交通科學技術研究所，福州 350004；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004）

1 前言

自上個世紀80年代以來，隨著國民經濟的增長，我國公路橋梁建設進入一個快速發展階段，預應力混凝土T梁橋如雨后春筍般隨處可見。如何精確評估該類梁橋的真實承載能力關系到人民生命安全與財產問題。

近年來，橋梁靜載試驗已成為評定結構承載能力的最有效方法之一，其結果的準確性與否直接影響到策略的科學性與合理性。橋梁靜載試驗檢測是一項系統性強、又嚴密的工作性質，其試驗結果受多種因素制約。如文獻［1-2］分析表明結構的離散化、邊界約束條件模擬、材料參數和非結構構件是影響橋梁荷載試驗的主要因素，其中混凝土彈性模量最顯著，非結構構件次之，單元離散化和邊界條件均較小；文獻［3］以某空心板橋為工程依托，采用Midas Civil有限元軟件分析了橋面鋪裝、護欄、支座約束等因素對結構校驗系數的影響，結果表明沒有考慮二期荷載得到的校驗系數值偏低，支座約束條件對校驗系數值影響可忽略。文獻［4］分別從設計軟件、計算簡化、設計保守、橋梁自身缺陷等方面對校驗系數值影響規律展開簡要分析。

綜上所述，目前學者對橋梁靜載試驗結果影響值可歸為設計、有限元軟件分析、有無考慮二期荷載三大類，而關于靜載測試環境溫度變化對結果值得影響規律研究分析尚少見報道。為此本文以西北某預應力混凝土梁橋為工程背景，分析橋梁靜載試驗前后不同溫度差異值對結果值的影響規律，該研究可為橋梁承載力的正確評定提供參考與借鑒。

2 模型的建立

2.1 工程背景

某預應力混凝土連續T梁橋橋址位于西北地區，夏季晝夜平均溫差值在18°左右。設計荷載等級為公路-Ⅰ級，上部橋型布置為75m=3×25m，全長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，其中內梁預制寬度為1.80m，邊梁預制寬度為2.05m。主梁、濕接縫、現澆連續段均采用C50砼；下部采用柱式墩，橋臺采用柱式臺及肋板臺及鉆孔灌注樁基礎。

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、橋墩等構件均采用梁單元模擬，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際支座約束，墩底按固結方式模擬邊界條件。加載試驗車輛軸力等效為集中力分配到相應的位置處，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 靜載試驗與分析

為了驗證有限元數值模型可較為精確反映現場實測環境溫度變化對結果值的影響，對實橋結構進行靜載加載試驗，并將結果值與理論值對比。

3.1 試驗環境

依據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）[5]規范3.3條試驗環境要求，荷載試驗應選在氣溫較為平穩時段，盡量避開高溫、強光、強風、雨雪等惡劣環境對試驗結果的影響。為了更為真實地測試結構承載能力，與當地氣象部門取得聯系，獲取近期72h內的氣溫、風速變化規律等可靠天氣預報資料，選擇最佳穩定時段實施荷載試驗。

3.2 測試項目

依據規范［5］要求，對投入運營的橋梁靜載荷載試驗效率 宜介于0.95～1.05之間，其中ηq的計算公式如式(1)：

式中：Ss為靜載試驗下控制截面內力計算值；S為控制荷載下截面最不利內力值；μ為沖擊系數。根據圖1橋型結構受力特點，擬選取1-1、2-2-、3-3三個截面進行偏載（最不利工況）試驗分析，分別測試每片T梁在荷載作用下的應力（應變）以及擾度值。

3.3 測點布置

分別在各個截面梁底布設應變片測試點，依照1-1、2-2、3-3 截面從右向左測點編號分別為 A1～A5、B1～B5、C1～C5，截面應變測點布置見圖3。

撓度測點主要布置在1-1、3-3截面對應每片T梁頂面鋪裝位置處，以檢測每片T梁在車輛荷載作用下的擾度值，對應測點編號分別是 A1’～A5’、C1’～C5’，跨中擾度測點布置如圖4所示。

3.4 測試結果對比分析

為了使有限元數值分析結果更能反應實際測量值，擬加載的車輛荷載盡可能使每片T梁試驗效率ηq均在1.00上下波動。通過多次有限元靜載加載試驗數值對比分析，最終采用2輛總重均為34.5t的三軸車加載。在最佳試驗溫度環境下（試驗前后溫差變化僅為0.5°），控制截面位置處對應T梁梁底的應變、擾度與實測值對比結果如表1～2所示。

圖3 應變測點布置圖

圖4 跨中截面擾度測點布置圖

由表1～2可知，在相對較為穩定溫度環境下，不論是控制截面的應變值還是擾度值與有限元分析結果誤差值均小于2.5%，符合工程要求精度。驗證了該橋有限元數值模型建立、分析的準確性與可靠性，理論分析值可真實反映結構工作狀況。

表1 各截面應變或應力變化對比值

表2 控制截面處的應變/擾度相對殘余值

4 溫度變化

由上一節有限元數值分析與現場實測數據值對比結果可知，采用Midas Civil軟件模擬分析靜載試驗環境溫度變化對結構承載能力的影響方式是可行的。分別設置了溫度差為 2°、4°、6°、8°和 10°的五種工況。 在不同的溫差工況下，各個控制截面位置處的每片T梁應變、擾度值與真實值誤差詳見表3～4，數值變化曲線圖如圖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截面應變誤差值變化曲線圖

圖6 不同溫差工況下2-2截面應變誤差值變化曲線圖

圖7 不同溫差工況下3-3截面應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，隨著環境溫度差從0°增大到10°時，各個控制截面的應變誤差值近似呈線性變化規律，隨著溫差的增大，誤差值也越大。其中1-1和3-3截面測點應變誤差值受溫度差變化影響較小，最大值僅為3.79%；而2-2截面應變誤差值受其影響尤為敏感，當溫差在10°工況時，1#T梁的應變誤差值高達45.61%。

從表4及圖8～圖9可知，各個控制截面的擾度測點誤差值均隨著檢測環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，當靜載試驗環境溫差從2°增大到10°時，邊跨1-1截面處的最大擾度誤差值達到了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律分析可知，不同的截面位置處的應變、擾度誤差值受靜載試驗環境溫度變化敏感性均有所不同，1-1截面擾度值和2-2截面應變值受溫差變化尤其顯著，其主要是因為支點梁、墩處采用固定支座連接，一方面溫度變化產生的梁體次內力較難釋放，導致2-2截面梁單元內力急劇增大，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 結論

總體上橋梁結構靜載試驗的應變、擾度誤差值均隨著環境溫差值的增大而增大；且不同截面處的應變、擾度誤差值受溫差變化影響幅值差異較大，尤其是支點負彎矩截面處的應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，其余截面對應的內力值受測試環境溫度變化影響較小。建議實際橋梁結構靜載試驗時，應盡量選擇在溫度較為穩定時段，能夠更為精確地評定實際結構承載能力。