基于ABAQUS的预应力混凝土异形实心板桥静载试验分析

武必飞，陈字忠，钟 毅，赵成功（.长安大学，陕西 西安 70064；.长江师范学院，重庆 40800）



基于ABAQUS的预应力混凝土异形实心板桥静载试验分析

武必飞1，陈字忠1，钟 毅1，赵成功2
（1.长安大学，陕西 西安 710064；2.长江师范学院，重庆 408100）

预应力混凝土异形实心板桥以建筑高度较低、施工方便、可塑性强等特点在城市桥梁中有着广泛的应用。文章以210国道改造线川口中桥第三孔为例，结合现场实测数据，运用ABAQUS实体单元对其静载试验进行仿真模拟分析，结果表明该桥在各试验工况下结构校验系数均显著小于1，表明该跨具有较好的结构强度和刚度，能够满足设计通行荷载的要求；同时发现，对于预应力混凝土实心板桥因其既属于预应力混凝土桥梁的范畴，又有钢筋混凝土板桥的受力特点，因此其在静载试验下的结构校验系数可能会偏离预应力混凝土桥梁和钢筋混凝土板桥结构校验系数常值区间，而介于两者之间。

异形板桥；仿真模拟；静载试验；校验系数

桥梁静载试验是指根据桥梁的设计荷载等级，采用分级加载的方法在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载相当的外荷载，测试桥梁结构控制截面在各级试验荷载作用下的应变、挠度等荷载响应，并将其与理论值比较以评定桥梁结构的实际承载力［1-2］。通常以下四类桥梁需要进行荷载试验：（1）新建桥梁以及经维修加固、改扩建的旧桥，竣工验收时；（2）需继续服役的已达到设计使用寿命的桥梁；（3）无法判断承载能力的受损桥梁；（4）其它需要测试相关桥梁力学指标的情况。本文以川口中桥3#孔为例，通过测量其在外荷载作用下控制截面的应变、挠度并与理论值比较，对该桥的结构安全性能进行评定。

1　工程概况

川口中桥位于陕西省铜川市王益区210国道改造线川口立交处，桥梁为跨越漆水河而架设，为减小桥墩阻水，新建桥梁与原有道路平行布置。桥梁全长48.08 m，上部结构1#孔、2#孔采用预应力混凝土空心板，3#孔采用16 m预应力混凝土现浇板，桥面连续；下部结构采用桩柱式墩、桩基础，3#孔平面图见图1，断面图见图2。桥台采用组合式桥台，桩长按摩擦桩设计，设计荷载公路—Ⅰ级。

图1　3#孔平面图（单位：cm）

图2　3#孔断面图（单位：cm）

2　静力荷载试验

2.1控制断面及测点布置

川口中桥3#孔为简支预应力混凝土异形实心板桥，最不利断面为跨中断面，测试内容为跨中断面应变及挠度。测试断面应变测点布置图见图3，测试断面挠度测点布置图见图4。

图3　应变测点布置图

图4　挠度测点布置图

2.2试验荷载及加载效率

根据本桥设计说明，按公路—Ⅰ级车辆荷载进行加载，借助Midas-Civil车道面荷载功能进行内力分析［3］，计算得到跨中断面的最不利内力，然后按内力等效的原则确定试验荷载［4］。经计算本次试验需加载车4辆，加载车车型见图5，图中中后轴距A=3.2 m，前中轴距B=2 m，轮距C=1.8 m。加载车各轴轴重见表1。

静载荷载试验加载效率ηq按式（1）进行计算，对于新建桥梁，其值宜介于0.85～1.05［5］。

图5　试验加载车车型图

表1　试验车车重表 kN

式中：ηq为静载荷载试验的荷载效率；SS为静载试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或变形的最大计算效应值；S为控制荷载产生的同一加载控制截面内力或变形的最不利效应计算值；μ为按规范取用的冲击系数值。

控制断面各工况试验荷载内力值、设计内力值及加载效率见表2。由表2可知，加载效率在0.85～1.05，满足要求。

表2　试验内力及加载效率

3　静载试验结果分析

3.1有限元仿真模拟

3.1.1材料参数

目前常见的桥梁专业分析软件对于杆系模型的计算有较强的优势，而通用有限元软件在计算板桥和实体模型时有较强的优势，基于此为了对本桥在试验荷载下的应力、挠度进行精细计算分析，本文采用结构分析通用程序ABAQUS对本桥静载试验的两种工况进行仿真模拟。混凝土本构关系采用ABAQUS给出的混凝土损伤塑性模型（CDP模型）。CDP模型中混凝土本构关系通过屈服应力和非弹性应变标定，在弹性阶段该模型采用线弹性模型对材料的力学性能进行描述，进入损伤阶段后，CDP模型损伤后的弹性模量可以表示为损伤因子d和初始无损弹性模量的关系式［6］。本桥使用混凝土标号为C50，其本构关系根据《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）中提供的混凝土应力-应变曲线换算得到［7］。因本文不涉及裂缝分析，故在输入混凝土本构关系时未考虑损伤因子。全桥钢筋采用两折线模型进行模拟［8］。

3.1.2边界条件

全跨共设置26个支座，其中2#墩墩顶设置10个支座，从左到右分别编号为1#～10#，1#桥台共设置16个支座，从左到右分别编号为11#～26#，建模时将支座与异形板间接触设为绑定，支座约束全部施加在支座底部，其中5#、6#支座约束U2、U3、UR1、UR2 4个自由度，1#～4#、7#～10#支座约束U3、UR1 、UR3 3个自由度，15#、16#支座约束除UR2外的5个自由度，其余支座约束U1、U3、UR1、UR2 4个自由度。

为避免应力过于集中导致计算不收敛，在异形板上放置垫块，垫块与桥面板间使用绑定约束，加载车车轴荷载换算成压强后施加在垫块上。

3.1.3计算模型

模型建立后，综合考虑计算精度和运算效率，按0.25 m网格尺寸划分单元，混凝土采用八节点线性六面体减缩积分单元（C3D8R单元），钢筋采用两节点线性桁架单元（T3D2单元），全桥单元共计11 432个，结构离散图见图6。

图6　ABAQUS有限元离散图

3.2应变测试结果分析

跨中截面中载正弯矩和偏载正弯矩两种工况下板底x轴向应力（s11应力）有限元计算结果见图7、图8。由应力云图可见，试验荷载下两种工况下板底跨中断面附近x轴向应力均由斜交桥台侧向垂直桥台侧逐渐增大，在靠近垂直桥台侧达到峰值，两种工况下峰值应力分别为1.28 MPa、1.77 MPa。现场试验时每种工况试验加载均进行两次，两种工况下跨中板底应变实测值和理论值见表3、表4。

由表3及表4的统计结果可见，在跨中截面中载正弯矩工况下，应变校验系数最大值为0.73，最小值为0.61，平均校验系数为0.67；跨中截面偏载正弯矩工况下，应变校验系数最大值为0.71，最小值为0.61，平均校验系数为0.67。两种工况下板底应变校验系数均介于预应力混凝土桥梁校验系数常值范围0.60～0.90［5］。

图7　中载工况板底应力分布

图8　偏载工况板底应力分布

表3　中载工况应变校验系数

表4　偏载工况应变校验系数

3.3挠度测试结果分析

跨中截面中载正弯矩和偏载正弯矩两种工况下挠度有限元计算结果见图9、图10。由挠度云图可见，试验荷载下两种工况下异形板跨中挠度与板底跨中断面附近x轴向应力有相同的变化规律，即均由斜交桥台侧向垂直桥台侧逐渐增大，在靠近垂直桥台侧达到峰值，两种工况下峰值挠度分别为2.96 mm、4.28 mm。现场试验时每种工况试验加载均进行两次，两种工况下异形板桥挠度实测值和理论值见表5、表6。

图9　中载工况全桥挠度分布

图10　偏载工况全桥挠度分布

表5　中载工况应变校验系数

表6　偏载工况应变校验系数

由表5及表6的统计结果可见，跨中截面中载正弯矩工况下，挠度校验系数最大值为0.58，最小值为0.55，平均校验系数为0.56；跨中截面偏载正弯矩工况下，应变校验系数最大值为0.65，最小值为0.52，平均校验系数为0.57。两种工况下板底挠度校验系数均小于预应力混凝土桥校验系数常值范围下限0.7。

4　结论

本文借助ABAQUS对川口中桥第3孔现浇段异形实心板跨进行静载试验仿真模拟并结合现场实测数据分析后得到以下结论：

（1）运用ABAQUS实体单元对异形实心板桥静载试验进行仿真模拟，各工况下应变校验系数和挠度校验系数比较稳定，说明该方法可以很好地模拟结构在试验荷载作用下的真实受力情况，结果比较可靠；

（2）试验荷载作用下，川口中桥第3孔现浇段异形实心板跨控制断面应变校验系数和挠度校验系数均显著小于1，表明该跨具有较好的结构强度和刚度，能够满足公路—Ⅰ级汽车荷载的通行要求。

（3）预应力混凝土异形实心板桥既属于预应力混凝土桥梁的范畴，又有钢筋混凝土板桥的受力特点，因此其在静载试验下的结构校验系数可能会偏离预应力混凝土桥梁和钢筋混凝土板桥结构校验系数常值区间且介于两者之间。

［1］张劲泉.桥承载力评定方法及工程实例［M］.北京：人民交通出版社，2007.

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Analysis of Static Load Testing for Special-shaped Slab Bridge Based on ABAQUS

Wu Bifei1， Chen Zizhong1， Zhong Yi1， Zhao Chenggong2
（1. Chang'an University， Xi'an 710064， China； 2. Yangtze Normal University， Chongqing 408100， China）

Reinforced concrete special-shaped slab bridges are widely used in urban bridges with characteristics such as low building height，construction convenience and good plasticity. Based on the third span of Chuankou middle bridge of national road 210 reconstruction line， this paper simulates static load testing by using ABAQUS. The results show that structure calibration coefficients are significantly less than 1 in each test condition， which indicating that this span has reasonable structural strength and rigidity to meet the design requirements of traffic load. Besides，prestressed reinforced concrete special-shaped slab bridges not only belong to the category of prestressed concrete bridge but also have the features of reinforced concrete slab bridges， thus their static load testing calibration coefficients may deviate from calibration coefficient constant interval of the mentioned two kind of bridges， but between then.

special-shaped slab bridge； analogue simulation； static load testing； calibration coefficient

U446.1

A

1672-9889（2016）02-0033-04

武必飞（1990-），男，江苏淮安人，硕士研究生，研究方向为桥梁加固。

（2015-08-01）