采用有限元软件研究桥梁加载效率超限的问题

周琳琳，贾海浩

(1. 长安大学;2.中国水电第十五工程局有限公司路桥工程公司)

1 引 言

桥梁荷载试验的目的是通过加载试验，评价桥梁技术状况，记录桥梁在荷载作用下的结构反应，为桥梁承载能力评定和日后养护、维修和加固提供科学依据和支持。确保桥梁处于良好的工作状态，实现对营运桥梁进行有效管理和监控。

对不等跨径连续梁桥，在中、边跨跨径差距较大时易产生对主要测试断面进行加载而其他截面加载效率超限的问题，对桥梁结构造成不必要的破坏。虽然横多人认识到了这点，但是在这方面鲜有研究，因此研究不等跨连续梁的加载效率十分必要。

针对以上情况，采用有限元软件MIDAS/CILVAL、桥梁博士，选择三种中、边跨跨径差距较大的桥型对主要测试截面进行加载，并计算出加载效率，且对可能出现超载情况的截面进行复核验算。得出边跨最大正弯矩并不在0.4L 位置处及随着桥梁跨径增大，在测试墩顶断面时桥梁其他主要测试截面加载效率超限问题趋于明显的结论，为以后不等跨桥梁的加载提供理论依据。

2 不等跨连续箱梁控制截面

建立25 m+35 m +25 m、30 m +50 m +30 m 、50 m +80 m+50 m现浇变截面预应力混凝土连续箱梁有限元模型，并做出三种桥型的包络图，从包络图可以得出:25 m +35 m+25 m 边跨最大正弯矩位于0.44 L 位置处;30 m +50 m +30 m 边跨最大正弯矩位于0.45 L 位置处;50 m +80 m +50 m 边跨最大正弯矩位于0.44 L 位置处。并列出25 m+35 m+25 m 包络图如图1 所示，该桥0.44 L、墩顶、第二跨跨中截面弯矩影响线见图2～图4。

图1 25 m+35 m+25 m 现浇箱梁弯矩包络图

图2 25 m+35 m+25 m 边跨0.44L 截面弯矩影响线

图3 25 m+35 m+25 m 墩顶截面弯矩影响线

图4 25 m+35 m+25 m 中跨跨中截面弯矩影响线

3 加载工况

三种桥型加载工况如下:工况1、2:边跨正弯矩最不利断面加中、偏载;工况3、4:墩顶负弯矩最不利断面加中偏载;工况5、6:中跨正弯矩最不利断面加中、偏载。

三种桥型加载车均采用35 吨三轴重车，轴重分别为70 kN、140 kN 和140 kN，轴距为3.5 m、1.3 m，两排加载车辆背向加载最小距离(两车后轴轴距)控制为4.0 m。

4 结果及分析

4.1 25 m+35 m+25 m 桥梁结果及分析

规范规定桥梁荷载试验的加载效率介于0.85～1.05 之间，对该桥整体截面弯矩加载效率以1.00 控制，据此判断其他截面加载效率是否超限，之后调整相应控制截面加载效率，求得墩顶或跨中截面加载效率的上限。测试截面加载效率计算见表1。

表1 测试截面加载效率计算表

由各控制截面弯矩影响线可以看出，工况1、2 的加载位置，均不会对墩顶截面和中跨跨中截面造成加载效率超限的问题。工况3、4 由于加载车辆重量、数量及间距的影响，加载效率仅能达到0.91。

当工况3、4 墩顶负弯矩加载效率达到0.91 时，加载位置如图6 中图b。计算表明，此时第一排车中轴截面加载效率为0.99，第二排车中轴截面位置的加载效率为0.95，跨中截面的加载效率0.86。经过上述验算可知，墩顶负弯矩采用2 排车加载达到最大加载效率0.91 时，加载车所在截面正弯矩加载效率均在规范规定范围之内，加载安全。

4.2 30 m+50 m+30 m 桥梁结果及分析

测试截面加载效率计算见表2。

表2 测试截面加载效率计算表

由各控制截面弯矩影响线可以看出，工况1、2 的加载位置，均不会对墩顶截面和中跨跨中截面造成加载效率超限的问题。工况3、4 由于加载车辆重量、数量及间距的影响，加载效率仅能达到0.96。

当工况3、4 墩顶负弯矩加载效率达到0.96 时，计算表明，第一排车中轴截面正弯矩加载效率为1.06，超出规范上限值，第二排车中轴截面(即跨中截面)加载效率为1.05，达到规范上限值。因此将墩顶负弯矩加载效率调整为0.95，此时第一排车中轴截面加载效率为1.04，第二排车中轴截面位置的加载效率为1.03，跨中截面的加载效率1.05。因此对该桥型，墩顶负弯矩的加载效率上限值建议控制在0.95 以内。

4.3 50 m+80 m+50 m 桥梁结果及分析

测试截面加载效率计算见表3。

表3 测试截面加载效率计算表

由各控制截面弯矩影响线可以看出，工况1、2 的加载位置，均不会对墩顶截面和中跨跨中截面造成加载效率超限的问题。对工况3、4 加载方案验算不利截面的加载效率计算结果见表4。

表4 墩顶0.82 加载效率对应其余截面加载效率表

从表4 可以看出，3、4 工况下墩顶负弯矩加载效率为0.82 时，第一排车中轴截面的正弯矩加载效率超限，第二排车中轴截面正弯矩加载效率达到规范上限，跨中截面正弯矩加载效率在规范范围之内。而此时3、4 工况的两排车已位于墩顶最大负弯矩影响线峰值附近，且两排车距离已到4.0 m 限值。

调整3、4 工况两排车的位置使其加载效率为0.81，使其他截面对应的加载效率在规范加载效率之内，加载效率计算见表5。

表5 墩顶0.81 加载效率对应其余截面加载效率表

当调整5、6 工况两排车的位置，使中跨跨中截面的加载效率达到规范上限1.05 时，对应其他截面的加载效率见表6。

表6 中跨跨中截面1.05 加载效率对应其余截面加载效率表

表7 墩顶负弯矩加载效率表

以上计算表明:当边、中跨跨径差值较大时，两排加载车不能满足墩顶加载效率的要求，必须采用至少三排重车进行加载，且第三排车须布置在第一跨或第三跨适当位置，本桥墩顶加载效率最大为1.03，加载效率计算见表7;另外计算某截面加载效率时，需对其他截面的加载效率进行复核计算，以免其他截面加载效率超限。

5 结 论

从选择的三种不等跨桥型的加载方案及相关验算来看，可得出如下结论。

(1)边跨最大正弯矩并不在0.4L 位置处，需要通过计算确定边跨最不利截面位置，从而确定边跨加载控制截面。

(2)计算表明:桥型一在中跨布置2 排车辆加载时，墩顶负弯矩最大加载效率达0.91，加载车所在截面正弯矩加载效率均在规范规定范围之内，加载安全。样本桥型二在中跨布置2 排车辆加载时，墩顶负弯矩最大加载效率为0.96，加载车所在部分截面正弯矩加载效率超限;样本桥型三在中跨布置2 排车辆加载时，墩顶负弯矩最大加载效率仅为0.82，而此时加载车所在部分截面正弯矩加载效率已超限，由此可见，随着桥梁跨径增大，不等跨桥梁主要测试截面加载时其他截面加载效率超限问题趋于明显。

(3)当跨径较大时，跨中布置2 排加载车，墩顶负弯矩最大加载效率达不到规范规定值，需增加车辆，此时应尽量将加载车布置在桥墩两侧提升加载效率，避免中跨截面的正弯矩加载效率超限。

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