某简支组合梁桥荷载试验研究

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(1.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031；2.东南大学 土木工程学院,南京 210096；3.太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024)

1 引 言

近年来，随着运输行业的快速发展，桥梁结构在交通线路中得到大量的应用。为了保证桥梁运营的安全性和舒适性，桥梁的承载能力需要定期进行检测评估。于是，具有方便、准确特点的荷载试验方法得以广泛应用[1-3]。

桥梁荷载试验是通过在既有的桥梁结构上施加与设计荷载等效的试验载荷，进行相关的检测、记录、分析及评定工作，主要由试验筹备、试验进行、理论模型分析、实测和理论结果对比等工作[4,5]。通过对既有桥梁进行荷载试验，对比荷载试验获得的测试结果和理论计算值(包括位移及应力)之间的关系，分析承载能力极限状态和正常使用极限状态对应的物理力学指标，得到可靠的桥梁承载能力评定结果[6,7]。 依据荷载试验的分析结果，判断桥梁结构的安全储备和耐久性，是一种了解桥梁性能参数、分析桥梁实际工作状态以及评定桥梁运营状况最有效直接的手段[8]。当设计桥梁承载能力不能满足交通量需求时，往往采用增设主梁的加固方法。该方法不仅可以有效提高桥梁的承载能力，同时可以有效增加桥梁整体刚度，改善荷载横向分布性能[1]。

本文以国道G320线上(大理段)某加固后的简支组合梁桥为工程背景，结合相关规范中的指标要求，考虑静载效率等系数，开展了该桥的静载(偏载及中载)试验。结合理论分析与结构特点，合理布置测点位置，对比实测与有限元计算结果，综合评价桥梁承载能力和运营状态的安全性。

2 工程概况

施么小桥位于国道G320线上(大理段)，桥梁跨径为27.4 m。上部结构为分离式组合结构,由长13.4 m×高0.7 m的5片I字主梁、2片加固的矩形梁和0.3 m厚的整体式桥面板组成。下部结构为圬工重力式桥台，如图1(a)所示。桥面铺装为10 cm厚的沥青混凝土和8 cm厚的C50混凝土，设置2%的双向横坡，行车道数为2车道双向行车，如图1(b)所示。

图1 全桥立面和桥台断面图(单位：cm)

Fig.1 Vertical section and cross section of bridge (unit:cm)

为了检测桥梁关键截面的受力和变形，保证桥梁的运营安全，按照试验荷载效应与设计荷载效应等效的原则，对各测试截面活载内力进行计算分析，确定静载试验时试验荷载的大小与加载位置。

3 荷载试验及有限元模型

3.1 试验依据及评定指标

本次荷载试验主要依据交通部颁布的相关规范[9-11]和桥梁荷载试验相关著作[4]，参照工程竣工图及变更图等其他相关文件数据，确定了本次试验的具体形式为静载试验，具体指标为应力(应变)和挠度。

3.2 测点布置及采集设备

根据施么小桥上部结构特点，选取跨中最大正弯矩截面，每片主梁的跨中底面的钢筋进行应变测点布设，即在每跨主梁底的钢筋上分别设置1个应变测点，测点编号分别为1～7，如图2(a)所示，图中1#-1表示第1片梁的1号测点，以此类推。为消除混凝土开裂对应变测试的影响，每个测点粘贴3片纵向平行的应变片，取3个应变平均值作为该应变测点的实测值。

为测试的准确和方便性，全桥共布置15个挠度测点。其中，桥头两端各设置三个测点，L/4处各设置3个测点，跨中位置设置3个测点，如图2(b)所示。利用精密水准仪美国天宝DINI03电子水准仪，测试桥梁在静力荷载作用下的挠度，测试精度为±0.01 mm。

3.3 静载试验方案

静载试验是通过现场施加试验荷载，检验结构主要受力构件在最大(最小)内力状态下的应变和变形。加载位置一般选取结构的关键截面(内力极值截面)，并且需要按照内力等效的原则确定试验荷载的大小和加载位置，使试验荷载作用下的结构内力与设计荷载作用下的结构内力相等或接近，同时确保各个试验工况下结构处于安全状态。

图2 全桥测点布置

Fig.2 Arrangement of monitoring points

3.4 有限元模型

利用桥梁有限元软件Midas Civil建立分析模型，主梁通过梁单元进行模拟，整体式桥面板用梁格的方式模拟[13,14]，边界条件采用一端约束竖向位移，另一端约束竖向、横向和纵向位移，主桥结构模型如图5所示。

通过移动活载影响线分析，提取试验方案关注截面的最不利内力对应的活载布置情况，为试验加载提供理论依据[15,16]。通过有限元模拟工况一和工况二的荷载形式，如图6所示，提取不同工况下结构应力和变形与实测结果进行对比。

表1 控制截面试验荷载效应与标准荷载效应对比

Tab.1 Comparison of the effect between test load and standard load

梁号工况项目试验荷载计算值标准荷载计算值试验荷载效率系数3#二弯矩/(kN·m)374.5372.81.005注:标准荷载计算值已考虑冲击系数。

表2 试验车辆轴距和轴重表

Tab.2 Wheelbase and weight of test vehicle

车号轴距/m前轴/t后轴/t总重/t14.57.8524.2232.0724.58.1524.2432.39

图3 试验车辆(单位：cm)

Fig.3 Test vehicle (unit:cm)

4 结果分析

4.1 应变测试结果

选取每片主梁跨中截面在偏载及中载情况下的应变分布情况进行汇总。以实测应变为基础，对比理论计算结果，根据相对残余应变对截面的静载效应进行分析。应力结果如图7所示，相对残余应变结果如图8所示。

图4 荷载试验车辆布置图

Fig.4 Plans of test vehicle

图5 主桥结构模型图

Fig.5 Model of bridge

图6 有限元模型加载图

Fig.6 Loading chart of finite element model

从图7可以看出，在工况一和工况二下，主梁测点的实测应力值均小于理论计算值，各测点应变校验系数介于0.63～0.85之间。在偏载试验工况下，各主梁上截面的实测值和理论值分布与试验车位置距离呈线性关系，距离越近应力越大，距离越远应力越小，测点1应力值约为测点7的三倍。实测得到的相对残余应变最大为7.0%，分别是偏载作用时测点3和中载作用时测点5，而其余测点的相对残余应变约为5%。

4.2 挠度测试结果

各个主梁跨中截面的挠度实测结果与理论计算结果如图9所示。挠度校验系数及相对残余挠度计算结果列入表3。

表3 各截面荷载校验系数及相对残余变形

Tab.3 Check coefficient and relative residual deformation of each section

截面工况号挠度校验系数ζ相对残余变形S'p/%0工况10.727.30工况20.757.67L/4工况10.806.07工况20.766.67L/2工况10.772.33工况20.837.533L/4工况10.775.83工况20.767.70L工况10.718.17工况20.725.17

图7 各个应变分布情况

Fig.7 Distribution of strain

图8 各测试截面相对残余应变结果

Fig.8 Relative residual strain of each test section

从图9和横向分布系数计算公式[14]可以看出，在偏载作用下，1#，4#和7#主梁的横向分布系数分别为0.214,0.143和0.071。说明结构在偏载作用下，横向分布系数相差较大，梁间的横向联系较弱。

各挠度测点的校验系数介于0.71～0.83之间，各个截面均出现了一定的残余变形，相对残余变形最大为8.17%。在试验荷载作用下，主梁最大挠度为4.8 mm，相应的挠跨比为L/2791，远小于公路桥涵设计通用规范[12]规定的限值L/600。

图9 工况一各测试截面挠度结果

Fig.9 Deflection results of test section of case 1

图10 工况二各测试截面挠度结果

Fig.10 Deflection results of test section of case 2

5 结 论

根据有限元计算分析和现场静力荷载试验，得到以下结论。

(2) 各应变测点应变校验系数介于0.63～0.86 之间，各挠度测点的挠度校验系数在0.71～0.83之间，应变和挠度校验系数未超出规范中1.0的规定，该结构强度和刚度具有一定的富余度。跨中偏载时，横向分布系数不均匀，主梁间的横向联系较弱。

(3) 选取典型工况卸载后相对残余应变和残余变形最大值分别为7.0%和8.17%，未超出规范限值20%的规定，表明该桥在试验荷载作用下无较大不可恢复变形。

综合分析可知，通过模拟设计荷载作用效应进行短期加载试验，位于国道G320线上(大理段)的施么小桥上部各片主梁测试截面应力和挠度未出现异常。试验结果表明，结构处于正常受力状态，桥梁结构整体承载能力满足设计荷载及正常使用要求。

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