连续刚构桥梁的安全性能评估

■陈娜

（福州榕城港务发展有限公司，福州　350028）

连续刚构桥梁的安全性能评估

■陈娜

（福州榕城港务发展有限公司，福州350028）

本文以某分离式连续刚构桥为工程背景，介绍了该桥环境振动的测试及精细有限元模型的建立，包括上下部结构和桩土共同作用的模拟等，并进行了实测与计算动力特性的比较分析，利用结构实测动力特性和精细有限元模型对该桥的安全性能进行了评估。

刚构桥梁环境振动测试精细有限元模型安全性能评估

随着交通事业的大力发展的需求，我国大跨径桥梁的设计和施工技术也随之迅速发展。在大跨径桥型方案比选中，连续梁桥型仍具有很强的竞争力。在已建的高速公路及市政道路钢筋混凝土预应力连续刚构桥梁的数量众多，随着运营时间的推移，桥梁管养部门急需了解桥梁的安全性能。为得到该桥当前状态，需要对桥梁的安全性能进行评估。本文利用结构实测动力特性和精细有限元模型的结合进行某桥梁的承载力评估，该方法外业工作简便、费用低，同时不影响交通，对于桥梁管理部门掌握桥梁当前状态具有非常强的可操作性。

1　桥梁概况

某分离式大桥为预应力砼连续T梁和预应力砼连续刚构箱梁组合式桥梁，见图1。桥梁全长757m，桥跨组合为30m+（40+70+40）m+3×30m+4×4×30m，设计荷载为公路-I级，基础均采用钻孔灌注桩基础，桥墩采用双柱式圆柱墩、矩形薄壁墩，桥台采用肋式、柱式桥台，板式、盆式橡胶支座。该桥已经使用10年，为得到该桥当前状态，评估其安全性能，进行了环境振动测试和安全评估。

2　环境振动试验

2.1测点布置

该分离式大桥主桥为40m+70m+40m的连续刚构桥，主桥共布置：17个横桥向测点+1个横桥向参考点；17个竖桥向测点+1个竖桥向参考点以及17个纵桥向测点+1个纵向参考点。

2.2环境振动测试

测试时桥梁振动的加速度信号由传感器拾振，由采集仪采集大量的加速度信号。三个测试跨三个方向各分别有两个测站。采样频率 500Hz，每测站采样时间为10min。测试情况见图2。

3　有限元分析模型

3.1有限元模型

有限元模型用ANSYS前处理建立，按结构的实际尺寸建模，模型采用笛卡尔三轴坐标。X轴沿桥纵轴线方向，Y轴竖向向上，Z轴沿桥横轴方向。全桥有限元模型共有单元5445个，节点9099个。有限元模型见图3。

3.2单元类型和材料参数

在有限元模型中，全桥采用Solid65单元模拟，用Combin14单元模拟桥两端伸缩缝。

基本材料参数如下：箱梁C55混凝土：弹性模量E=3.55×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度为2.55×103kg/ m3，泊松比0.167；桥墩C40混凝土：弹性模量E=3.25×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度为2.55×103kg/m3，泊松比0.167；承台C30混凝土：弹性模量E=3.00×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度为2.55×103kg/m3，泊松比0.167。

3.3边界条件模拟

根据实际位置施加约束，对支座节点Y方向（竖向）固结，X方向（横桥向）和Z方向（纵桥向）用Combine14（Spring-Damper）单元模拟其纵、横向摩擦；桥面两端施加X方向和Z方向的弹簧，以模拟伸缩缝的约束情况；各处弹簧刚度取值见表1。对桩与土的相互作用，由于桩插入岩层桩尖处视之为固结约束，桩与桩侧土的用弹簧阻尼单元Combine14模拟。

表1　各处弹簧初始刚度系数表

3.4桩－土相互作用土弹簧参数确定

在本文中，为方便建模计算，引入以下几点假定：

（1）地基土水平分层，不考虑土层的倾斜，土介质为线弹性的连续介质。

（2）在给定的单元内，假定地基反力系数为常数，由加权平均法得到该段土的平均地基反力系数，为简化计算，假定弹簧系数为常数，不考虑土层的非线性反应。

（3）由于2号墩桩底嵌入弱风化凝灰熔岩深不小于3.0m，可以认为桩尖的位移为零，把桩尖设为固端。

（4）由于3号墩桩底处岩层为强风化花岗岩，故按摩擦桩计算，桩尖设为不完全固结，竖向约束，横向纵向添加Combine14弹簧阻尼单元。

从而建立如图4简化模型，把桩-土系统离散为质弹阻模型，土和桩的相互作用根据土的分层用一系列的带阻尼的等价土弹簧来模拟，根据桩侧土层不同土质用m法来计算对应处弹簧的系数；与桩一起振动的地基土作为附加质量加在对应的桩上加以考虑。全桥模型边界约束示意图和桩基模拟局部图如图5和图6所示。

4　实测与计算动力特性比较

通过环境振动试验和实验模态分析，共得到该分离式大桥竖向3阶、横向2阶及纵向1阶的频率和振型，见表2和表3，相应的有限元计算的频率和振型也列于表2和表3。表2中的误差是通过计算值与SSI法得到的频率比较得到的。由表2可以看出，实测和计算频率吻合较好，误差基本在5%以内。从MAC计算结果来看，实测和计算的振型吻合良好，见表3。

表2　实测与计算动力特性

表3　实测与计算振型比较

5　承载力性能评估

5.1计算依据及计算工况

为评价该桥是否满足荷载标准正常行车使用要求，以设计标准活载产生的最不利效应值等效换算，确定所需的试验荷载、加载车辆和轮位。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）的荷载标准值，按最不利截面布置，分为满载和偏载两种方式。采用6辆三轴载重汽车加载，试验载重汽车轴重列表4。

表4　加载车辆重量表

根据桥跨结构受力特点，拟进行以下试验工况的计算：

工况I：检验边跨跨中截面（1号截面）在最不利汽车荷载（分满载和偏载两种工况）作用下的最大正弯矩效应；工况Ⅱ：检验中跨跨中截面（3号截面）在最不利汽车荷载（分满载和偏载两种工况）作用下的最大正弯矩效应；工况Ⅲ：检验2号墩顶截面（2号截面）在最不利汽车荷载作用下的最大负弯矩效应。

5.2计算与试验结果比较

计算挠度和应变结果见表5和表6，《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）中给出的预应力混凝土桥挠度校验系数的常值范围为0.60～1.00，应变（应力）校验系数的常值范围为0.50～0.90。该桥实测挠度校验系数为0.56～0.94，应变校验系数为0.46～0.86，满载时各工况下的挠度和应变测点校验系数基本在常值范围之内。故1、2、3截面的承载能力能够满足设计荷载要求。

表5　各工况满载挠度表

表6　各工况满载应变表

6　结语

（1）环境振动测试能够识别出桥梁基本动力特性，其中竖向基频为2.19 Hz，横向基频为7.56 Hz，纵向基频为1.46 Hz，一阶模态阻尼比竖向为2.8%，横向为5.2%，纵向为9.6%，介于一般桥梁结构临界阻尼比1.0%～10.0%之间，属于正常范围。

（2）利用环境振动测试结果对桥梁有限元模型进行参数修正后，该分离式大桥理论模态分析结果与实验模态分析结果比较吻合，表明所采用的计算参数和边界条件是基本正确的，修正后的有限元模型能够基本反映桥梁当前的真实状态。

（3）汽车静载测试和分析表明：本桥满载时跨中截面的最大挠度为11.11mm，远小于规程规定的限值，说明试验跨桥跨结构的整体刚度满足设计荷载 （公路-I级）要求。该桥应变校验系数为0.46～0.86，满载时各工况下的挠度和应变测点校验系数基本在常值范围之内，能够满足设计荷载要求和安全使用要求。

［1］孙勇，岑成贤.ANSYS在桥梁工程中的应用［J］.东北林业大学学报，2005，3.

［2］王新敏，李义强，许宏伟.ANSYS结构分析单元与 应用［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［3］中华人民共和国交通部发布.公路桥涵设计规范，（JT021-89）［S］.北京：人民交通出版社，1989.

［4］万平.钢筋混凝土桥梁安全性评估方法研究［D］.武汉理工大学硕士学位论文，2006.

［5］祝小龙，赵春花，周成涛.某高架桥桥墩倾斜成因分析及安全评估［J］.中外公路，2013，33（4）：208-221.

［6］张喜刚，刘高，马军海，等.中国桥梁技术的现状与展望［J］.科学通报，2016（4）：415-425.