基于有限元的变截面连续箱梁动力性能研究

冯维芳 高 扬

(嘉善县银通有限公司，浙江 嘉善 314100)

0 引言

预应力混凝土连续梁桥具有变形小、结构刚度大、跨径较大和施工方便等优点，因而在桥梁建设中被广泛使用。当跨度逐步增加到一定程度后，等截面连续梁支点处的负弯矩会比跨中的正弯矩大得多，甚至达不到受力要求。而变截面连续箱梁通过增加支点处梁体高度，能够有效提高支点处的负弯矩和剪力[1]，因而在跨径超过100 m的预应力连续梁桥中，超过90%采用变截面连续箱梁[2-12]。

目前，变截面连续箱梁的力学研究和抗裂研究相对成熟[13-18]，但其在不同荷载下的动力研究却相对较少。基于此，本文通过对嘉兴秀虹大桥的有限元模拟和现场动力试验分析对比，研究了变截面连续箱梁在车载作用下的动力性能。

1 工程概况

秀虹大桥位于嘉兴市秀洲区境内，公路等级二级，设计速度为60 km/h，设计荷载为公路—Ⅰ级。主桥上部采用57 m+95 m+57 m变截面预应力混凝土连续箱梁结构，下部结构主墩采用实体墩，承台接群桩，过渡墩采用柱式墩、承台接桩基础(见图1，图2)。

2 模型建立

依据施工图设计文件建立计算模型，主梁采用梁单元模拟，移动荷载效应计算采用四车道、公路—Ⅰ级及相应的加载效率计算，通过有限元软件Midas建立梁单元模型进行结构静力计算，全桥共有57个节点，56个梁单元，建立的有限元模型如图3所示，并分析其移动荷载弯矩包络图(如图4所示)和主桥移动荷载最小位移图(如图5所示)。

3 静载试验方案

控制截面及测点布置。根据本桥受力特点，选取下列控制截面及内容进行静荷载试验，各试验控制截面如图6所示，并布设主梁挠度测点(如图7所示)和主梁应变测点(如图8所示)。

根据JTG/T J21—01—2015公路桥梁荷载试验规程和变截面连续箱梁受力特点，确定设5个静载试验加载工况(见表1)，限于篇幅，本文仅给出工况Ⅰ的试验成果。

表1 静载试验加载工况

4 试验结果及分析

汇总工况Ⅰ静载试验下各测点的应力应变值和挠度值，并与结构有限元分析计算结果进行对比，得到工况Ⅰ下理论计算挠度值、应变值与实测值对比图，工况Ⅰ理论计算应变值与实测值对比图，如图9，图10所示。

由图9，图10可知，工况Ⅰ挠度校验系数为0.76～0.80，处于规范校验系数常值范围内，最大相对残余6.33%，各测点挠度校验系数均小于1.0，且相对残余均小于20%，表明秀虹大桥试验跨结构刚度满足设计要求，并在弹性工作状态。应变校验系数为0.64～0.82，处于规范校验系数常值范围内，最大相对残余14.29%；各测点应变校验系数小于1.0，且相对残余均小于20%，表明秀虹大桥试验跨结构强度满足设计要求，并在弹性工作状态。

5 动载试验

采用脉动法进行自振测试，测定桥梁的前几阶竖向振型、频率以及阻尼比参数。建立桥梁空间有限元分析模型，进行特征值分析，得到桥梁竖向前三阶自振频率，即：一阶振型图(f1=1.153 Hz)，为竖向对称；二阶振型图(f2=2.238 Hz)，为竖向反对称；三阶振型图(f3=3.058 Hz)，为竖向对称，如图11～图13所示。

6 测试结果与分析

秀虹大桥实测自振频率、阻尼及振型特征说明如表2所示。

表2 实测自振频率与振型特征

利用脉动试验数据分析得到秀虹大桥试验跨一阶振型为竖向对称；二阶为竖向反对称；三阶振型为竖向对称。实测振型与计算基本一致。秀虹大桥试验跨竖向振动前三阶实测频率均大于理论值，说明结构实际刚度大于理论刚度，结构刚度满足设计要求。

7 结论

1)各测点挠度校验系数均小于1.0，且相对残余均小于20%，表明秀虹大桥试验跨结构刚度满足设计要求，并在弹性工作状态。各测点应变校验系数小于1.0，且相对残余均小于20%，表明秀虹大桥试验跨结构强度满足设计要求，并在弹性工作状态。

2)利用脉动试验数据分析和有限元对比分析，实测振型与计算基本一致竖向振动前三阶实测频率均大于理论值，说明结构实际刚度大于理论刚度，结构刚度满足设计要求。