基于有限元數值模擬的新下花橋靜載試驗分析

粟進清

(邵陽縣公路建設養護中心， 湖南 邵陽 422100)

隨著各類橋梁的大量建設，橋梁數量迅猛增長，隨之出現橋梁因承載能力不足或損傷而垮塌的事故，橋梁承載能力和工作性能檢測成為橋梁安全性能評定的重要內容。靜載試驗是有效評價橋梁承載能力和工作性能的一種重要方法。該文通過有限元數值模擬，對新下花橋開展靜載試驗，并對試驗結果進行分析評價其承載能力。

1 工程概況

新下花橋位于湖南省邵陽縣，上部結構采用2×20 m預應力砼簡支空心板，橋面連續，全橋長46.04 m。下部結構采用實體墩擴大基礎，橋臺采用樁基礎。橫向由7片空心板組成，采用C50砼，中板和邊板寬度分別為1.24、1.495 m，高度為0.95 m。橋面鋪裝采用16 cm厚C40防水砼。荷載等級為公路-Ⅰ級。

2 有限元數值模擬

選取第1跨進行靜載試驗。使用橋梁有限元分析軟件MIDAS/Civil建立梁格模型對橋梁進行數值模擬分析。計算模型采用7組縱梁單元模擬7片空心板，共劃分為212個單元。為更好地模擬橋梁實際受力性能，考慮橋面鋪裝的影響，在梁上加設板單元，共劃分為180個單元。板單元和梁單元采用共節點連接(見圖1)。

圖1 新下花橋有限元模型

加載工況分為2種：工況Ⅰ為第1跨4#空心板最大正彎矩，橫橋向中載；工況Ⅱ為第1跨1#空心板最大正彎矩，橫橋向偏載。采用4臺汽車進行加載，每臺車總重380 kN。根據設計荷載標準，在所測試截面的內力影響線上按最不利位置，根據實際加載車輛軸重、軸距等進行布載，計算控制截面在試驗荷載作用下最大內力和按設計規范要求布置荷載作用下控制截面的理論內力。靜載試驗各工況荷載效率系數見表1。

表1 靜載試驗加載工況與荷載效率系數

3 靜載試驗方案

3.1 加載工況

試驗荷載分4級加載和2次卸載，各靜載試驗工況的加載方案和布載方式分別見表2、圖2。

表2 新下花橋靜載試驗加載方案

圖2 新下花橋靜載試驗車輛布載(單位：m)

3.2 測點布置

(1) 應變測點布置。在第1跨跨中截面的空心板底面粘貼標距為8 cm的應變片，采用靜態電阻應變儀測試各測點應變(見圖3)。

圖3 應變測點橫斷面布置

(2) 撓度測點布置。采用精密水準儀對第1跨最大彎矩截面進行撓度測試，并對支座截面進行沉降觀測。各測試截面撓度測點見圖4。

圖4 撓度測點橫斷面布置

4 靜載試驗分析

4.1 工況Ⅰ試驗結果與分析

4.1.1 應變試驗結果與分析

工況Ⅰ下應變測試結果見表3和圖5，其中以正表示受拉、負表示受壓。由表3和圖5可知：工況Ⅰ下應變校驗系數η最大值為0.71，最小值為0.69，相對殘余應變最大為4.2%，小于容許值20%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》的要求。

表3 工況Ⅰ下各空心板的應變

圖5 工況Ⅰ下各空心板應變的橫向分布

4.1.2 撓度試驗結果與分析

工況Ⅰ下撓度測試結果見表4和圖6，其中負表示下撓。由表4和圖6可知：工況Ⅰ下撓度校驗系數η最大值為0.79，最小值為0.77，相對殘余變位最大為5.7%，小于容許值20%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》的要求。

表4 工況Ⅰ下各空心板的撓度

圖6 工況Ⅰ下各空心板撓度的橫向分布

4.2 工況Ⅱ試驗結果與分析

4.2.1 應變試驗結果與分析

工況Ⅱ下應變測試結果見表5和圖7。由表5和圖7可知：工況Ⅱ下應變校驗系數η最大值為0.73，最小值為0.70，相對殘余應變最大為4.5%，小于容許值20.0%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》的要求。

圖7 工況Ⅱ下各空心板應變的橫向分布

表5 工況Ⅱ下各空心板的應變

4.2.2 撓度試驗結果與分析

工況Ⅱ下撓度測試結果見表6和圖8。由表6和圖8可知：工況Ⅱ下撓度校驗系數η最大值為0.79，最小值為0.76，相對殘余變位最大為3.4%，小于容許值20%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》的要求。

表6 工況Ⅱ下各空心板的撓度

圖8 工況Ⅱ下各空心板撓度的橫向分布

5 結論

在各靜載試驗荷載作用下，新下花橋的應變和撓度校驗系數均滿足規范要求，結構強度滿足規范及使用要求，且在設計荷載作用下具有一定的安全儲備能力。各工況下控制截面主要測點的相對殘余應變及相對殘余變位均在20%以內，結構在所施加荷載作用下處于彈性范圍工作，結構受力性能良好。各工況下實測撓度分布規律和應變分布規律與理論計算結果基本吻合。綜上，在正常使用狀態下，新下花橋的承載能力滿足設計要求。