基于梁格法的斜交异形连续箱梁桥荷载试验分析

程 曦 ，罗 熹 ，邹 鑫

1.南京市城市建设投资控股（集团）有限责任公司，江苏 南京 210061

2.柳州市城市投资建设发展有限公司，广西 柳州 450202

3.中铁桥隧技术有限公司，江苏 南京 210061

近年来，城市交通建设蓬勃发展，尤其是互通立交高架桥梁日益增多。为满足线路跨越及交通线路顺畅的需求，斜交、变宽、弯曲等异形箱梁得到广泛应用。现浇单箱多室箱梁凭借其整体性好、梁高较小、施工方便、外形优美等优点成为首选。以往研究结果表明，以等效梁格代替桥梁上部结构的梁格法是桥梁结构空间分析中一种实用有效的方法，并且对分析弯、斜梁桥特别有效[1]。陈博[2]、韩小宇[3]针对异形箱梁桥，通过板单元模型与梁格模型的对比计算，验证了梁格法的可靠性。杨成龙[4]针对分叉式异形结构桥梁静力分析，对比解析法、半解析法、数值分析法的优缺点，发现梁格法具有计算精度较高、工程适用性强、计算效率高等优点，并验证了梁格分析法的准确性。文章以某座斜交变宽连续箱梁弯桥荷载试验为例，基于梁格法构建有限元模型，将试验实测结果与理论模型计算结果对比分析，以评价桥梁的工作性能。

1 工程概况

某城市整体现浇斜交变宽连续弯梁桥，孔跨布置为28m+45m+28m+25m。箱梁采用单箱五室截面，梁高为2.4m，桥宽23.52～25.30m。跨中顶板厚30cm，底板厚30cm，腹板厚度分别为40cm、50cm；箱室两端腹板厚度渐变至60cm、70cm。设计荷载为城-A级，设计行车车速为60km/h，箱梁设计强度为C50。桥梁平面布置图如图1所示。

图1 桥梁平面布置图（单位：m）

2 有限元模型建立

采用Midas/Civil有限元分析软件建立空间梁格模型，计算分析桥梁结构有限元静力、动力。通过静力分析计算出各控制截面内力最不利加载的范围，确定加载轮位，在此基础上加载桥梁结构模型，得出各试验工况结构响应的理论计算值，以此为参考依据，保证静载试验安全顺利开展；动力分析仿真结构的振动主模态，初步掌握结构的振动特点，为动力测点的布置和实桥模态分析奠定基础。梁格划分基于腹板、边腹板、中腹板，纵梁单元划分采用τ形截面、工形截面，另在左右翼板边缘各划分1道虚拟纵梁，全桥共8道纵梁单元，有限元梁格模型如图2所示。

图2 梁格模型图

3 静载试验

3.1 试验工况

桥梁静载试验按桥梁结构的受力最不利和代表性原则确定试验工况及测试截面[5]。根据梁格模型计算的设计荷载弯矩包络图和现场情况，选择确定2个试验控制截面，边跨最大弯矩截面、中跨最大弯矩截面。采用8辆35t的载重汽车作为试验加载车辆，试验荷载效率系数在0.96～1.00，均满足试验规程要求。

3.2 测点布置

在控制截面布置应变测点，翼板、腹板、底板均布置有测点，用以反映箱梁结构的受力特征。在梁底对称布置变形测点，用以反映箱梁试验截面挠度横向分布特征。

3.3 静载测试结果分析

各工况下跨中截面挠度分布如图3所示。由图3可知，实测挠度值为1.0mm，校验系数最大为0.8，小于1.0，满足试验规程的要求，表明结构刚度满足要求；挠度相对残余变形率最大为13.5%，小于20%，表明结构处于弹性工作状态，有较好的弹性恢复能力。试验结果也表明，沿试验截面挠度分布呈依次增加趋势，横向分布规律与理论值吻合。由于非机动车道及人行道的存在，加载过程中桥梁试验截面实际都处于偏载状态。

图3 各工况下跨中截面挠度分布

各工况下中跨截面应变横向分布如图4所示。各工况下实测应变值均包络于理论值内，横向分布规律与理论值一致，实测应变最大值为25με，校验系数最大为0.87，小于1.0，满足试验规程的要求，表明结构刚度满足要求；卸载后，箱梁主要应变测点残余应变介于-2～3με，最大相对残余应变率小于20%，表明结构处于弹性工作状态，有较强的弹性恢复能力。

图4 各工况下中跨截面应变横向分布图

各加载工况下控制截面高度方向应变沿截面高度变化基本符合平截面假定，结构受力良好。注意到应变分布曲线在梁顶测点位置略有转折，这与箱梁的剪力滞效应有关，发生这种现象的原因是箱梁翼板的剪切变形使翼板远离肋板处的纵向位移滞后于肋板边缘处，最终使弯曲应力的横向分布呈曲线形状。

4 动载试验结果

桥梁自振频率通过环境随机激振法（脉动法）测试，实测各阶频率均大于相应理论计算频率值，阻尼比值最大为0.98%，表明该桥实际整体刚度较好。该桥的竖向一阶频率值为4.465Hz，实测最大冲击系数为1.228，小于按照桥规计算值，满足规范要求。结果表明，试验桥跨结构动力性能正常，满足桥梁正常使用的要求。

5 结论

荷载试验严格按照《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）等规范的相关要求开展，试验准备充分，组织严密，测试方法、测试精度均满足要求，采集到的数据有效、可靠。通过整理分析测试数据并与桥梁试验的技术依据要求相比较，评价桥梁承载能力、动力特性等结构特性。对比分析荷载试验实测数据结果和理论计算值，得出以下结论：

（1）该桥梁静力荷载各工况试验效率在0.89～1.0，满足试验规程要求；主要测点校验系数在0.68～0.87，均满足小于1的要求。试验桥跨主要测点最大相对残余变形率和相对残余应变率均小于20%，说明结构均处于弹性工作状况，该桥的承载能力满足设计要求。

（2）试验截面的应变、挠度横向分布规律与理论计算值吻合，除了翼缘板测点略微受剪力滞效应影响，截面高度上应变结果基本符合平截面假定。

（3）桥梁一阶自振频率实测值大于理论值，结构实际刚度大于理论刚度；实测最大冲击系数为1.228，小于规范计算值，桥梁动力性能满足设计要求。