基于梁格法的斜交異形連續箱梁橋荷載試驗分析

程 曦 ，羅 熹 ，鄒 鑫

1.南京市城市建設投資控股（集團）有限責任公司，江蘇 南京 210061

2.柳州市城市投資建設發展有限公司，廣西 柳州 450202

3.中鐵橋隧技術有限公司，江蘇 南京 210061

近年來，城市交通建設蓬勃發展，尤其是互通立交高架橋梁日益增多。為滿足線路跨越及交通線路順暢的需求，斜交、變寬、彎曲等異形箱梁得到廣泛應用。現澆單箱多室箱梁憑借其整體性好、梁高較小、施工方便、外形優美等優點成為首選。以往研究結果表明，以等效梁格代替橋梁上部結構的梁格法是橋梁結構空間分析中一種實用有效的方法，并且對分析彎、斜梁橋特別有效[1]。陳博[2]、韓小宇[3]針對異形箱梁橋，通過板單元模型與梁格模型的對比計算，驗證了梁格法的可靠性。楊成龍[4]針對分叉式異形結構橋梁靜力分析，對比解析法、半解析法、數值分析法的優缺點，發現梁格法具有計算精度較高、工程適用性強、計算效率高等優點，并驗證了梁格分析法的準確性。文章以某座斜交變寬連續箱梁彎橋荷載試驗為例，基于梁格法構建有限元模型，將試驗實測結果與理論模型計算結果對比分析，以評價橋梁的工作性能。

1 工程概況

某城市整體現澆斜交變寬連續彎梁橋，孔跨布置為28m+45m+28m+25m。箱梁采用單箱五室截面，梁高為2.4m，橋寬23.52～25.30m。跨中頂板厚30cm，底板厚30cm，腹板厚度分別為40cm、50cm；箱室兩端腹板厚度漸變至60cm、70cm。設計荷載為城-A級，設計行車車速為60km/h，箱梁設計強度為C50。橋梁平面布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁平面布置圖（單位：m）

2 有限元模型建立

采用Midas/Civil有限元分析軟件建立空間梁格模型，計算分析橋梁結構有限元靜力、動力。通過靜力分析計算出各控制截面內力最不利加載的范圍，確定加載輪位，在此基礎上加載橋梁結構模型，得出各試驗工況結構響應的理論計算值，以此為參考依據，保證靜載試驗安全順利開展；動力分析仿真結構的振動主模態，初步掌握結構的振動特點，為動力測點的布置和實橋模態分析奠定基礎。梁格劃分基于腹板、邊腹板、中腹板，縱梁單元劃分采用τ形截面、工形截面，另在左右翼板邊緣各劃分1道虛擬縱梁，全橋共8道縱梁單元，有限元梁格模型如圖2所示。

圖2 梁格模型圖

3 靜載試驗

3.1 試驗工況

橋梁靜載試驗按橋梁結構的受力最不利和代表性原則確定試驗工況及測試截面[5]。根據梁格模型計算的設計荷載彎矩包絡圖和現場情況，選擇確定2個試驗控制截面，邊跨最大彎矩截面、中跨最大彎矩截面。采用8輛35t的載重汽車作為試驗加載車輛，試驗荷載效率系數在0.96～1.00，均滿足試驗規程要求。

3.2 測點布置

在控制截面布置應變測點，翼板、腹板、底板均布置有測點，用以反映箱梁結構的受力特征。在梁底對稱布置變形測點，用以反映箱梁試驗截面撓度橫向分布特征。

3.3 靜載測試結果分析

各工況下跨中截面撓度分布如圖3所示。由圖3可知，實測撓度值為1.0mm，校驗系數最大為0.8，小于1.0，滿足試驗規程的要求，表明結構剛度滿足要求；撓度相對殘余變形率最大為13.5%，小于20%，表明結構處于彈性工作狀態，有較好的彈性恢復能力。試驗結果也表明，沿試驗截面撓度分布呈依次增加趨勢，橫向分布規律與理論值吻合。由于非機動車道及人行道的存在，加載過程中橋梁試驗截面實際都處于偏載狀態。

圖3 各工況下跨中截面撓度分布

各工況下中跨截面應變橫向分布如圖4所示。各工況下實測應變值均包絡于理論值內，橫向分布規律與理論值一致，實測應變最大值為25με，校驗系數最大為0.87，小于1.0，滿足試驗規程的要求，表明結構剛度滿足要求；卸載后，箱梁主要應變測點殘余應變介于-2～3με，最大相對殘余應變率小于20%，表明結構處于彈性工作狀態，有較強的彈性恢復能力。

圖4 各工況下中跨截面應變橫向分布圖

各加載工況下控制截面高度方向應變沿截面高度變化基本符合平截面假定，結構受力良好。注意到應變分布曲線在梁頂測點位置略有轉折，這與箱梁的剪力滯效應有關，發生這種現象的原因是箱梁翼板的剪切變形使翼板遠離肋板處的縱向位移滯后于肋板邊緣處，最終使彎曲應力的橫向分布呈曲線形狀。

4 動載試驗結果

橋梁自振頻率通過環境隨機激振法（脈動法）測試，實測各階頻率均大于相應理論計算頻率值，阻尼比值最大為0.98%，表明該橋實際整體剛度較好。該橋的豎向一階頻率值為4.465Hz，實測最大沖擊系數為1.228，小于按照橋規計算值，滿足規范要求。結果表明，試驗橋跨結構動力性能正常，滿足橋梁正常使用的要求。

5 結論

荷載試驗嚴格按照《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01—2015）等規范的相關要求開展，試驗準備充分，組織嚴密，測試方法、測試精度均滿足要求，采集到的數據有效、可靠。通過整理分析測試數據并與橋梁試驗的技術依據要求相比較，評價橋梁承載能力、動力特性等結構特性。對比分析荷載試驗實測數據結果和理論計算值，得出以下結論：

（1）該橋梁靜力荷載各工況試驗效率在0.89～1.0，滿足試驗規程要求；主要測點校驗系數在0.68～0.87，均滿足小于1的要求。試驗橋跨主要測點最大相對殘余變形率和相對殘余應變率均小于20%，說明結構均處于彈性工作狀況，該橋的承載能力滿足設計要求。

（2）試驗截面的應變、撓度橫向分布規律與理論計算值吻合，除了翼緣板測點略微受剪力滯效應影響，截面高度上應變結果基本符合平截面假定。

（3）橋梁一階自振頻率實測值大于理論值，結構實際剛度大于理論剛度；實測最大沖擊系數為1.228，小于規范計算值，橋梁動力性能滿足設計要求。