有限元模擬橋梁靜動荷載響應分析

彭文禮

(新疆水利水電勘察設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 前 言

近年來，隨著中國經濟的快速增長，交通設施的發展突飛猛進[1]，橋梁作為交通運輸線路中最重要的一部分，對社會的長期發展起著重要作用[2]。水利工程在建設過程中，為方便交通，也會建設各種類型的橋梁。橋梁靜動荷載試驗檢測是橋梁建成通行前的必備的試驗內容，其可在一定程度上了解既有橋梁的病害情況以及現狀，也可為后期橋梁維護提供相關數據[3]。

本文以銀川市賀蘭山路跨包蘭鐵路橋為背景，對其進行了靜載與動載的荷載試驗,測試了既有主線橋控制截面的靜力特性指標，以及動荷載對結構的動力增大效應,判斷出該橋梁的實際承載力、結構變形是否滿足設計要求，為該橋日后的安全運營提供科學指導。

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與西夏區交界處，興洲街和通達街之間，銀川市火車站北側約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623.8 m，引橋為預應力混凝土空心板梁，主橋為一孔計算跨徑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

2.1 試驗目的

根據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)的結構構造特點和荷載形式，依據CJJ/T 233-2015《城鎮橋梁檢測與評定技術規范》要求對此橋跨結構進行靜載試驗和動載試驗，通過對橋梁結構典型部位在試驗荷載作用下的受力、變形的記錄及分析，達到如下檢測目的：

(1) 檢驗橋梁的整體受力性能。

(2) 評估改建后橋跨結構能否滿足橋梁荷載等級要求。

(3) 直接了解橋跨結構的實際工作狀態，判斷實際承載能力，評價其在設計使用荷載下的工作性能。

(4) 為橋梁養護、維修和運營健康監測系統提供相關資料。

(5) 通過動力試驗了解橋跨結構的固有振動特性以及其在長期使用荷載階段的動力性能。

(6) 通過荷載試驗，為橋梁結構建立永久性技術檔案。

2.2 檢測項目

(1) 橋梁結構受力性能檢測—在試驗荷載作用下典型截面處的應變；

(2) 橋梁結構的剛度檢測—在試驗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彎矩影響線最大處加載的方法，得到該橋跨靜載試驗的3個加載工況, 根據工程載重車輛情況、橋跨結構實際構造并保證荷載試驗效率，擬定試驗車輛為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)負彎矩最大布載；

工況3：2-2截面(1/4跨度處拱肋)負彎矩最大，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

設計荷載和試驗荷載作用下產生的最大內力以及荷載效率見表1。

表1 設計荷載與試驗荷載作用下產生的最大內力及荷載效率表

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)荷載校驗系數0.88≤ηs≤0.99，滿足CJJ/T 233-2015《城市橋梁檢測與評定技術規范》[5]。

3 動載試驗

3.1 試驗項目

動載試驗內容為：

(1) 脈動試驗：測量橋梁自振特性，如自振頻率、阻尼比。脈動試驗過程如下：

1) 按照事先確定的測點位置布置拾振器；

2) 對試驗儀器進行聯機調試；

3) 進行臨時交通管制，盡量減少幅度過大的外界激振；

4) 完成信號采集工作。

(2) 強迫振動試驗：測量橋梁的動應變、沖擊系數等。強迫振動試驗的過程如下：

1) 按照事先確定的測點位置布置應變計；

2) 預跑車——設備現場調試，檢測試驗儀器的靈敏度和可靠性；

3) 跑車試驗1 ——加載車輛以20 km/h的速度同步行駛，記錄結構的動應變和振動響應；

4) 跑車試驗2 ——加載車輛以30 km/h的速度同步行駛，記錄結構的動應變和振動響應；

5) 跑車試驗3 ——加載車輛以40 km/h的速度同步行駛，記錄結構的動應變和振動響應；

6) 跑車試驗4 ——加載車輛以50 km/h的速度同步行駛，記錄結構的動應變和振動響應。

3.2 測點布置

(1) 脈動試驗

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

(2) 強迫振動試驗

在南側拱肋12號墩的拱腳處布置應變片。

3.3 動載試驗結果

采用Midas-Civil分析軟件建立有限元模型計算了橋跨結構的基本自振頻率和振型，橋跨自振頻率的計算值與實測值見表2及圖6。

表2 結構自振特性表

圖6 脈動試驗頻譜曲線圖

實測自振頻率為3.037 Hz大于理論計算頻率2.084 Hz，表明實際結構的動力剛度大于理論設計值，橋跨結構動力性能良好；結構阻尼比正常，說明結構的整體性能和工作狀況良好。

結構在各試驗工況下的實測沖擊系數和按照CJJ 11-2011《城市橋梁設計規范》[7]采用的沖擊系數計算值見表3。

表3 結構沖擊系數表(1+μ)

從橋跨結構沖擊系數的實測值和根據規范計算的容許值的比較可知：實測橋跨的沖擊系數為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 論

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

(1) 既有橋主橋部分測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，靜力強度滿足規范要求，實際承載力與工作性能良好。

(2) 實測一階主陣型阻尼比為2.02%，且自振頻率值大于理論值，表明該橋梁結構的整體剛度較好。

(3) 在無障礙行車試驗作用下，沖擊系數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。