基于Midas的人行天桥静动力分析及试验检测评估

胡帮义，许 波，袁向荣

(1.广州大学土木工程学院;2.中交四航局第二工程有限公司)

近年来，我国的城市发展迅速，人口日益密集，人车争道的问题十分严重，交通拥堵也是时常出现的问题，为了方便市民安全出行，减少城市道路的拥堵，各大城市陆续兴建了大量人行天桥。混凝土连续小箱梁是一种较常采用的结构形式，然而随着桥梁逐步投入运营，桥梁结构不可避免的会出现铺装破损、栏杆破坏，箱梁锈胀露筋、破损开裂等病害，为了保证桥梁运营的安全，保障桥下车辆通行安全和行人生命安全，对桥梁的承载能力进行检测评估是必要的。以东莞市东城区莞长路牛山段老围人行天桥为工程背景，采用Midas Civil 有限元软件对该人行天桥进行了静动力分析，制定了静动载试验方案，然后在桥梁现场实施了静动载试验，根据理论计算和试验检测结果的对比分析，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21－2011)(以下简称《评定规程》)的规定，将该桥技术状况等级被评定为B 级(良好)，满足承载能力的要求。

1 工程概况

东莞市东城区莞长路牛山段老围人行天桥由主桥和4 个梯道组成，主桥长49 m，为2 ×23 m 预应力混凝土连续刚构桥，宽4 m，横向布置为:0.2 m(栏杆)+3.6 m(人行道)+0.2 m(栏杆)。上部结构采用连续小箱梁，箱梁高1.45 m，底板宽1.2 m;下部结构2#墩采用独柱式矩形墩，墩梁固结，1#及3#墩为双柱式圆形墩;桥面铺设广场砖;单个梯道长约25 m，宽3 m，梯道采用钢筋混凝土箱梁，独柱式圆形墩。结构立面、平面及横截面分别如图1 所示。

图1 横截面图(单位:cm)

2 静力分析及静载试验

2.1 静力分析

(1)有限元模型采用Midas Civil 软件建立了该桥的有限元计算模型，按单梁模型计算，共建立了57 个节点和55 个梁单元，2#墩底部固接，主梁一端约束x，y，z 方向的位移，另一端只约束y，z方向的位移。

(2)活载内力计算

活载考虑4.0 kN/m2的人群荷载，利用动态规划加载法计算出控制截面的弯矩包络值，如表1 所示，绘出活载弯矩包络图如图2 所示。

表1 主梁活载控制截面弯矩包络值汇总表(kN·m)

图2 主梁活载控制断面弯矩包络图

2.2 静载试验

(1)加载程序

为了获得结构试验荷载与响应之间的关系和防止结构意外损伤，加载方式采用逐级加载。根据荷载等效的原则确定试验荷载大小和加载位置。本试验采用混凝土块加载，一个混凝土块重约30 kN，底面尺寸为1 ×2 m，共需6 个，通过工况1～3，使试验跨跨中截面正弯矩达到加载效率。各工况加载载位如图3 所示。

图3 各工况加载载位图(单位:cm)

(2)加载效率

本次试验为鉴定荷载试验，根据《评定规程》的要求，桥梁的静力试验按荷载效率η 来确定试验的最大荷载。η 取值宜介于0.95～1.05 之间，对应各试验工况，工况1 下η 为0.394，工况2 下η 为0.716，工况3 下η 为0.989，检测桥跨跨中截面最大加载效率计算值为0.989，加载效率符合《评定规程》的要求。

(3)变形测点及计算挠度值

在试验跨支点、四分点、跨中和邻跨支点和跨中等处共布置7 个挠度测点，如图4 所示。测点采用长2 cm 特制螺栓固定在桥面铺装层上，竖向变形测量采用二等变形要求控制，每站高差中误差要求为±0.13 mm，采用NA2/GPM3 型精密水准仪，后视点设置在测试桥跨外。

图4 挠度测点布置图(单位:cm)

各测点挠度计算值如表2 所示，挠度以向下为负。

表2 试验荷载各挠度测点计算结果(mm)

(4)应变测点及计算应变值

在试验桥跨跨中截面设置3 个应变测点，采用基康钢弦应变计，测量各级荷载下的应变及卸载后残余应变。应变测点布置示意图，如图5 所示。

图5 应变测点布置示意图(单位:cm)

各测点应变计算值如表3 所示，应变以拉为正。

表3 试验荷载作用下检测跨测点计算应变值(με)

(5)试验结果及分析评定

①挠度测试结果

试验荷载作用下各挠度测点实测结果如表4 所示，实测值和计算值比较如表5 所示，由表5 可知，主要测点的挠度校验系数ζ 均小于1，能够满足《评定规程》关于校验系数的要求。

表4 试验荷载作用下各挠度测点实测结果(mm)

表5 挠度测点实测值和计算值比较(mm)

②应力(应变)测试结果

试验荷载作用下各应变测点实测结果如表6 所示，实测值和计算值比较如表7 所示，由表7 可知，跨中截面主要测点(Y1#～Y3#)的应变校验系数ζ 均小于1，能够满足《评定规程》关于校验系数的要求。

表6 试验荷载作用下各测点应变实测结果(με)

表7 应变测点实测值和计算值比较(με)

在工况1～3 下，检测跨跨中实测应变与荷载加载效率关系曲线如图6 所示，线性相关系数R 为0.931，表明应变与荷载之间成良好的线性关系。

图6 工况1～3 实测应变与加载效率关系曲线

③残余变形和应变

试验结束前进行了残余变形和残余应变观测，残余变形和应变分别如表8、表9 所示，主要测点的相对残余变形及相对残余应变均未超过20%，满足《评定规程》的要求，表明结构处于弹性工作状态。

表8 主要测点残余变形(mm)

表9 主要测点残余应变(με)

(6)静载试验小结

该桥检测跨静力工作性能良好，各项试验检测指标均能满足《评定规程》的要求，在试验过程中未见肉眼可见的裂缝出现，试验桥跨的桥墩未产生可观测到的沉降变位。桥梁的承载能力和正常使用性能均能满足设计荷载等级的要求。

3 动力分析及动载试验

3.1 动力分析

采用如图2 所示的有限元计算模型，按特征值分析方法，计算得一阶频率4.83 Hz，二阶频率7.40 Hz，三阶频率18.05 Hz，前3 阶振型。

3.2 动载试验

动载试验采用北京东方振动和噪声技术研究所研制的DASP 动态测试与分析系统进行。测试项目有自振特性和受迫振动特性，自振特性测试采用地脉动为激振源，受迫振动测试采用重60 kg 的沙袋从离桥面1.5 m 高处落下冲击的方式为激振源。在试验跨中和四分点各布置1 个动测测点，共2 个动测测点。

3.3 动载试验结果

动载试验结果如表10 所示。

表10 动载试验测试结果

3.4 动载试验小结

动测数据表明该桥的一阶自振频率为5.37 Hz，阻尼比为1.3952%，对应的理论计算一阶频率为4.83 Hz。实测频率大于理论计算值，且大于3 Hz，表明该桥的实际刚度较大，振动响应较小，动力性能较好。

4 检测评估结论

通过对该桥静动力计算分析及试验检测，表明:该桥静力工作性能良好，振动响应较小，动力性能较好，各项试验检测指标均能够满足《评定规程》的要求，桥梁的承载能力和正常使用性能均能满足设计荷载等级的要求，且具备一定的安全储备，评定该桥技术状况等级为B 级(良好)。

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