有限元模擬橋梁靜動(dòng)荷載響應(yīng)分析

彭文禮

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 前 言

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，交通設(shè)施的發(fā)展突飛猛進(jìn)[1]，橋梁作為交通運(yùn)輸線路中最重要的一部分，對(duì)社會(huì)的長(zhǎng)期發(fā)展起著重要作用[2]。水利工程在建設(shè)過程中，為方便交通，也會(huì)建設(shè)各種類型的橋梁。橋梁靜動(dòng)荷載試驗(yàn)檢測(cè)是橋梁建成通行前的必備的試驗(yàn)內(nèi)容，其可在一定程度上了解既有橋梁的病害情況以及現(xiàn)狀，也可為后期橋梁維護(hù)提供相關(guān)數(shù)據(jù)[3]。

本文以銀川市賀蘭山路跨包蘭鐵路橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)其進(jìn)行了靜載與動(dòng)載的荷載試驗(yàn),測(cè)試了既有主線橋控制截面的靜力特性指標(biāo)，以及動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力增大效應(yīng),判斷出該橋梁的實(shí)際承載力、結(jié)構(gòu)變形是否滿足設(shè)計(jì)要求，為該橋日后的安全運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 工程背景

銀川市賀蘭山路跨包蘭鐵路橋位于銀川市金鳳區(qū)與西夏區(qū)交界處，興洲街和通達(dá)街之間，銀川市火車站北側(cè)約1 km處，跨徑組合為(11×20 m+2×27.4 m引橋)+(51.2 m主橋)+(27.8 m+2×30 m+3×20 m+28 m+6×20 m引橋)，全長(zhǎng)623.8 m，引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，主橋?yàn)橐豢子?jì)算跨徑50 m橫梁體系下承式鋼管混凝土剛架柔性系桿拱橋，全橋共設(shè)置18根吊桿，吊桿間距為(5.8+8×4.8+5.8) m。橋梁工程主體全景圖1所示。

圖1 橋梁工程主體全景圖

2 靜載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

根據(jù)銀川市賀蘭山路跨包蘭鐵路橋加寬改建后既有橋主橋部分(系桿拱)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)和荷載形式，依據(jù)CJJ/T 233-2015《城鎮(zhèn)橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》要求對(duì)此橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)典型部位在試驗(yàn)荷載作用下的受力、變形的記錄及分析，達(dá)到如下檢測(cè)目的：

(1) 檢驗(yàn)橋梁的整體受力性能。

(2) 評(píng)估改建后橋跨結(jié)構(gòu)能否滿足橋梁荷載等級(jí)要求。

(3) 直接了解橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷實(shí)際承載能力，評(píng)價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能。

(4) 為橋梁養(yǎng)護(hù)、維修和運(yùn)營(yíng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供相關(guān)資料。

(5) 通過動(dòng)力試驗(yàn)了解橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性以及其在長(zhǎng)期使用荷載階段的動(dòng)力性能。

(6) 通過荷載試驗(yàn)，為橋梁結(jié)構(gòu)建立永久性技術(shù)檔案。

2.2 檢測(cè)項(xiàng)目

(1) 橋梁結(jié)構(gòu)受力性能檢測(cè)—在試驗(yàn)荷載作用下典型截面處的應(yīng)變；

(2) 橋梁結(jié)構(gòu)的剛度檢測(cè)—在試驗(yàn)荷載作用下典型位置處的撓度/變形。

全橋三維有限元模型如圖2所示：

2.3 加載工況

按照在控制截面同號(hào)彎矩影響線最大處加載的方法，得到該橋跨靜載試驗(yàn)的3個(gè)加載工況, 根據(jù)工程載重車輛情況、橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)際構(gòu)造并保證荷載試驗(yàn)效率，擬定試驗(yàn)車輛為8輛，單車重量為40 t左右[4]：

工況1：1-1截面(拱頂)正彎矩最大布載；

工況2：2-2截面(1/4跨度處拱肋)正彎矩最大，3-3截面(拱腳)負(fù)彎矩最大布載；

工況3：2-2截面(1/4跨度處拱肋)負(fù)彎矩最大，3-3截面(拱腳)正彎矩最大布載。加載布置如圖3～5所示：

圖2 全橋有限元三維模型圖

圖3 工況1布置圖 單位：m

圖4 工況2布置圖 單位：m

圖5 工況3布置圖 單位：m

設(shè)計(jì)荷載和試驗(yàn)荷載作用下產(chǎn)生的最大內(nèi)力以及荷載效率見表1。

表1 設(shè)計(jì)荷載與試驗(yàn)荷載作用下產(chǎn)生的最大內(nèi)力及荷載效率表

因此，銀川市賀蘭山路新建跨包蘭鐵路橋既有橋主橋部分(系桿拱)荷載校驗(yàn)系數(shù)0.88≤ηs≤0.99，滿足CJJ/T 233-2015《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》[5]。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容為：

(1) 脈動(dòng)試驗(yàn)：測(cè)量橋梁自振特性，如自振頻率、阻尼比。脈動(dòng)試驗(yàn)過程如下：

1) 按照事先確定的測(cè)點(diǎn)位置布置拾振器；

2) 對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試；

3) 進(jìn)行臨時(shí)交通管制，盡量減少幅度過大的外界激振；

4) 完成信號(hào)采集工作。

(2) 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)：測(cè)量橋梁的動(dòng)應(yīng)變、沖擊系數(shù)等。強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)的過程如下：

1) 按照事先確定的測(cè)點(diǎn)位置布置應(yīng)變計(jì)；

2) 預(yù)跑車——設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，檢測(cè)試驗(yàn)儀器的靈敏度和可靠性；

3) 跑車試驗(yàn)1 ——加載車輛以20 km/h的速度同步行駛，記錄結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變和振動(dòng)響應(yīng)；

4) 跑車試驗(yàn)2 ——加載車輛以30 km/h的速度同步行駛，記錄結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變和振動(dòng)響應(yīng)；

5) 跑車試驗(yàn)3 ——加載車輛以40 km/h的速度同步行駛，記錄結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變和振動(dòng)響應(yīng)；

6) 跑車試驗(yàn)4 ——加載車輛以50 km/h的速度同步行駛，記錄結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變和振動(dòng)響應(yīng)。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

(1) 脈動(dòng)試驗(yàn)

將高靈敏度拾振器布置在拱橋跨中南側(cè)5號(hào)吊桿(ND-5)系梁吊點(diǎn)附近的橋面上[6]。

(2) 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)

在南側(cè)拱肋12號(hào)墩的拱腳處布置應(yīng)變片。

3.3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

采用Midas-Civil分析軟件建立有限元模型計(jì)算了橋跨結(jié)構(gòu)的基本自振頻率和振型，橋跨自振頻率的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見表2及圖6。

表2 結(jié)構(gòu)自振特性表

圖6 脈動(dòng)試驗(yàn)頻譜曲線圖

實(shí)測(cè)自振頻率為3.037 Hz大于理論計(jì)算頻率2.084 Hz，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力剛度大于理論設(shè)計(jì)值，橋跨結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好；結(jié)構(gòu)阻尼比正常，說明結(jié)構(gòu)的整體性能和工作狀況良好。

結(jié)構(gòu)在各試驗(yàn)工況下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)和按照CJJ 11-2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]采用的沖擊系數(shù)計(jì)算值見表3。

表3 結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)表(1+μ)

從橋跨結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值和根據(jù)規(guī)范計(jì)算的容許值的比較可知：實(shí)測(cè)橋跨的沖擊系數(shù)為1.09小于理論值1.15，表明銀川市賀蘭山路跨包蘭鐵路橋既有橋主橋部分目前橋面較平順，行車流暢。

4 結(jié) 論

通過Midas Civil分析軟件對(duì)銀川市賀蘭山路跨包蘭鐵路橋的靜載試驗(yàn)分析可以得出：

(1) 既有橋主橋部分測(cè)試截面的荷載效率為0.88～0.99，荷載效率小于1.05，表明該橋梁荷載—變形整體性能好，靜力強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，實(shí)際承載力與工作性能良好。

(2) 實(shí)測(cè)一階主陣型阻尼比為2.02%，且自振頻率值大于理論值，表明該橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度較好。

(3) 在無障礙行車試驗(yàn)作用下，沖擊系數(shù)1.09也小于理論值1.15，表明該橋滿足行車舒適性要求，且安全可靠。