橋梁斜截面抗剪工況靜載試驗計算分析

蔣凌杰 吳志隆 吳維彬

摘要：文章以實際工程橋梁靜載試驗為例，介紹支點附近斜截面抗剪工況的靜載試驗方法，對比采用Midas桿系模型和Ansys實體模型計算的斜截面應力理論值，結(jié)合靜載試驗的實測數(shù)據(jù)分析和理論數(shù)據(jù)分析，得到斜截面抗剪工況理論值。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，采用桿系模型計算的結(jié)果存在較大偏差，會造成靜載試驗的評定結(jié)果不合理。因此，進行支點附近斜截面抗剪工況理論應變計算時應采用實體模型。

關(guān)鍵詞：靜載試驗;斜截面抗剪;荷載試驗效率;實體模型;校驗系數(shù)

中圖分類號：U442 文獻標識碼：A 130I：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.026

文章編號：1673-4874（2019）10-0090-03

0 引言

橋梁荷載試驗是評定橋梁整體承載能力的直接而重要的手段，而橋梁靜載試驗是荷載試驗的主要內(nèi)容之一，通過靜載試驗可以評定結(jié)構(gòu)的整體強度、剛度等。對于簡支橋梁的靜載試驗，主要試驗工況為跨中截面最大正彎矩工況，附加工況為支點附近截面抗剪工況。通過試驗結(jié)果分析得到各工況下荷載試驗應變校驗系數(shù)和撓度校驗系數(shù)，以此綜合評定結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足相應荷載等級的要求。

結(jié)構(gòu)計算分析是橋梁荷載試驗的核心工作，準確的結(jié)構(gòu)計算是保證荷載試驗評定結(jié)果準確性的基礎(chǔ)。靜載試驗的計算內(nèi)容主要包括荷載試驗效率的計算和理論效應值（應變及撓度）的計算。對于跨中截面最大正彎矩工況，常規(guī)橋梁靜載試驗采用桿系模型即可滿足計算精度的要求，同時又兼顧經(jīng)濟性。對于附加試驗工況支點附近截面抗剪工況，對截面斜向應變的計算，采用桿系模型進行計算可能存在較大的誤差，因此需要分析該工況下單獨采用桿系模型進行計算的適用性。

本文試驗對象為某加固工程更換上部結(jié)構(gòu)的簡支橋跨，更換的上部結(jié)構(gòu)為跨徑16m的裝配式預應力混凝土小箱梁，小箱梁采用C50混凝土，橫向布置5片，濕接縫連接，橋墩為雙柱式橋墩，橋面鋪裝為水泥混凝土，橋面凈寬為8.0m。本橋是利用部分原結(jié)構(gòu)的加固工程，橋梁加固后的設計荷載采用原汽車荷載等級為汽車-超20級。

1荷載試驗實施步驟

1.1荷載試驗效率

確定荷載試驗荷載等級后，可根據(jù)設計標準荷載產(chǎn)生的最不利效應值作為控制效應，通常控制效應采用內(nèi)力效應值，根據(jù)確定的控制內(nèi)力效應值，在給定的荷載試驗效率范圍下，采用影響線加載的方法反算得到試驗所需加載車輛的數(shù)量及加載位置。一般新橋的靜載試驗荷載效率取值為0.85-1.05，舊橋靜載試驗荷載效率取值為0.95-1.05。

本橋試驗跨橫向布置為5片梁，采用單梁桿系模型計算結(jié)構(gòu)在汽車荷載作用下的效應值乘以各梁的橫向分布系數(shù)得到每片梁的設計汽車荷載效應S，依據(jù)結(jié)構(gòu)基頻計算沖擊系數(shù)μ，采用影響線加載計算每片梁的試驗荷載效應S。經(jīng)計算，本次試驗采用4輛34t車輛加載，荷載試驗效率達到0.96，可滿足規(guī)范要求。各梁的荷載試驗效率結(jié)果如表1所示。

1.2 測點布置

本次在5片小箱梁左右腹板均布置1個斜向應變測點，共計10個測點，編號依次為S1-S10，測點布置見圖1。

1.3試驗加載布置

靜載試驗工況為不利的偏載工況，試驗采用2級加載和1級卸載。加載程序如下：

（1）加載前，將加載汽車過地磅稱重，滿足試驗要求車重后進行加載。

（2）正式加載前，對試驗跨進行預壓，預壓后進行第一次空載讀數(shù)，同時記錄該時刻的氣溫。

（3）正式實施試驗加載，每級汽車荷載駛?cè)胫付ǖ膮^(qū)域就位后，穩(wěn)定15min記錄加載后開始試驗觀測第一次讀數(shù)，間隔10min再記錄加載的第二次讀數(shù)，兩次讀數(shù)差均小于前次讀數(shù)增量的10%時，認為結(jié)構(gòu)變形已趨穩(wěn)定。此時所記錄的數(shù)據(jù)為試驗實測數(shù)據(jù)。

（4）滿載完成后進行一次卸載，穩(wěn)定20min后觀測應變數(shù)據(jù)。加載布置見圖2。

2 測點斜截面應力理論值計算

校驗系數(shù)是反映橋梁結(jié)構(gòu)實際狀況與理想狀況的偏差、確定結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標。靜載試驗中，通過試驗荷載作用下的實測應變值和理論應變值，計算應變的比值確定校驗系數(shù)，理論應變值計算的準確性是關(guān)鍵。

對于支點附近斜截面抗剪工況下測點斜向應變值，采用常規(guī)桿系模型計算截面位置主應力，再按照橫向分布系數(shù)來計算各個梁的斜截面應變值;而采用實體模型直接確定各個測點位置的斜向應變值。采用Midas Civil建立的桿系模型和ANSYS建立的實體模型見圖3-4，測點斜向應變計算結(jié)果對比見表2。

表2數(shù)據(jù)顯示，滿載工況下，采用桿系模型計算結(jié)果和實體模型計算結(jié)果存在差異：非偏載側(cè)梁斜向應變值，兩者應變值大小差異明顯，測點應力類型也有不同，偏載側(cè)梁的斜向應變值差異較小，偏差率在20%內(nèi)，試驗控制梁的偏差值最小。

3 靜載試驗結(jié)果對比分析

對某加固工程試驗橋跨進行了支點附近斜截面抗剪工況試驗，試驗工況為偏載工況，靜載試驗應變測試結(jié)果分析見表3，實測應變及理論應變對比分析見圖5。

測試結(jié)果表明：

（1）實測應變結(jié)果與實體模型計算結(jié)果較為吻合，采用實體模型理論應變值計算的應變校驗系數(shù)結(jié)果合理。

（2）桿系模型計算結(jié)果在#-3#梁左右測點應力狀態(tài)與實測不一致。導致采用桿系模型計算的理論值進行應變校驗系數(shù)計算時，校驗系數(shù)存在負值，結(jié)果不合理。而偏載側(cè)的4*-5*號梁采用兩種模型理論值計算的測點校驗系數(shù)結(jié)果偏差相對較小。

（3）結(jié)合荷載試驗實測的斜截面應變結(jié)果分析可知，實體模型應變理論值與實測值較為吻合，各個測點按照實體模型計算的校驗系數(shù)均合理，表明在進行支點附近斜截面抗剪工況時，應采用實體模型進行理論值計算。

4 結(jié)語

本文以某工程橋梁荷載試驗為依托，介紹了橋梁靜載試驗的基本步驟和分析方法，文中對比分析了基于桿系模型程序計算的斜截面理論值和實體模型計算的理論值，認為兩者計算結(jié)果有一定的偏差，尤其在非偏載側(cè)的測點斜向應力計算結(jié)果存在明顯的差異。結(jié)合靜載試驗實測的應變數(shù)據(jù)可知，實體模型計算各梁的應變結(jié)果與實測結(jié)果相吻合，分析得到的應變校驗系數(shù)合理;而采用常規(guī)桿系模型計算各梁的應變結(jié)果進行分析時，會導致計算的校驗系數(shù)結(jié)果不合理，尤其在非偏載側(cè)結(jié)果偏差大。因此，在進行支點附近斜截面荷載試驗抗剪工況時，應采用實體模型計算斜截面應變理論值。本文通過對該橋梁進行靜載試驗理論分析和現(xiàn)場試驗，為同類橋梁靜載試驗提供參考。