有限元模拟桥梁静动荷载响应分析

彭文礼

(新疆水利水电勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 前 言

近年来，随着中国经济的快速增长，交通设施的发展突飞猛进[1]，桥梁作为交通运输线路中最重要的一部分，对社会的长期发展起着重要作用[2]。水利工程在建设过程中，为方便交通，也会建设各种类型的桥梁。桥梁静动荷载试验检测是桥梁建成通行前的必备的试验内容，其可在一定程度上了解既有桥梁的病害情况以及现状，也可为后期桥梁维护提供相关数据[3]。

本文以银川市贺兰山路跨包兰铁路桥为背景，对其进行了静载与动载的荷载试验,测试了既有主线桥控制截面的静力特性指标，以及动荷载对结构的动力增大效应,判断出该桥梁的实际承载力、结构变形是否满足设计要求，为该桥日后的安全运营提供科学指导。

1 工程背景

银川市贺兰山路跨包兰铁路桥位于银川市金凤区与西夏区交界处，兴洲街和通达街之间，银川市火车站北侧约1 km处，跨径组合为(11×20 m+2×27.4 m引桥)+(51.2 m主桥)+(27.8 m+2×30 m+3×20 m+28 m+6×20 m引桥)，全长623.8 m，引桥为预应力混凝土空心板梁，主桥为一孔计算跨径50 m横梁体系下承式钢管混凝土刚架柔性系杆拱桥，全桥共设置18根吊杆，吊杆间距为(5.8+8×4.8+5.8) m。桥梁工程主体全景图1所示。

图1 桥梁工程主体全景图

2 静载试验

2.1 试验目的

根据银川市贺兰山路跨包兰铁路桥加宽改建后既有桥主桥部分(系杆拱)的结构构造特点和荷载形式，依据CJJ/T 233-2015《城镇桥梁检测与评定技术规范》要求对此桥跨结构进行静载试验和动载试验，通过对桥梁结构典型部位在试验荷载作用下的受力、变形的记录及分析，达到如下检测目的：

(1) 检验桥梁的整体受力性能。

(2) 评估改建后桥跨结构能否满足桥梁荷载等级要求。

(3) 直接了解桥跨结构的实际工作状态，判断实际承载能力，评价其在设计使用荷载下的工作性能。

(4) 为桥梁养护、维修和运营健康监测系统提供相关资料。

(5) 通过动力试验了解桥跨结构的固有振动特性以及其在长期使用荷载阶段的动力性能。

(6) 通过荷载试验，为桥梁结构建立永久性技术档案。

2.2 检测项目

(1) 桥梁结构受力性能检测—在试验荷载作用下典型截面处的应变；

(2) 桥梁结构的刚度检测—在试验荷载作用下典型位置处的挠度/变形。

全桥三维有限元模型如图2所示：

2.3 加载工况

按照在控制截面同号弯矩影响线最大处加载的方法，得到该桥跨静载试验的3个加载工况, 根据工程载重车辆情况、桥跨结构实际构造并保证荷载试验效率，拟定试验车辆为8辆，单车重量为40 t左右[4]：

工况1：1-1截面(拱顶)正弯矩最大布载；

工况2：2-2截面(1/4跨度处拱肋)正弯矩最大，3-3截面(拱脚)负弯矩最大布载；

工况3：2-2截面(1/4跨度处拱肋)负弯矩最大，3-3截面(拱脚)正弯矩最大布载。加载布置如图3～5所示：

图2 全桥有限元三维模型图

图3 工况1布置图 单位：m

图4 工况2布置图 单位：m

图5 工况3布置图 单位：m

设计荷载和试验荷载作用下产生的最大内力以及荷载效率见表1。

表1 设计荷载与试验荷载作用下产生的最大内力及荷载效率表

因此，银川市贺兰山路新建跨包兰铁路桥既有桥主桥部分(系杆拱)荷载校验系数0.88≤ηs≤0.99，满足CJJ/T 233-2015《城市桥梁检测与评定技术规范》[5]。

3 动载试验

3.1 试验项目

动载试验内容为：

(1) 脉动试验：测量桥梁自振特性，如自振频率、阻尼比。脉动试验过程如下：

1) 按照事先确定的测点位置布置拾振器；

2) 对试验仪器进行联机调试；

3) 进行临时交通管制，尽量减少幅度过大的外界激振；

4) 完成信号采集工作。

(2) 强迫振动试验：测量桥梁的动应变、冲击系数等。强迫振动试验的过程如下：

1) 按照事先确定的测点位置布置应变计；

2) 预跑车——设备现场调试，检测试验仪器的灵敏度和可靠性；

3) 跑车试验1 ——加载车辆以20 km/h的速度同步行驶，记录结构的动应变和振动响应；

4) 跑车试验2 ——加载车辆以30 km/h的速度同步行驶，记录结构的动应变和振动响应；

5) 跑车试验3 ——加载车辆以40 km/h的速度同步行驶，记录结构的动应变和振动响应；

6) 跑车试验4 ——加载车辆以50 km/h的速度同步行驶，记录结构的动应变和振动响应。

3.2 测点布置

(1) 脉动试验

将高灵敏度拾振器布置在拱桥跨中南侧5号吊杆(ND-5)系梁吊点附近的桥面上[6]。

(2) 强迫振动试验

在南侧拱肋12号墩的拱脚处布置应变片。

3.3 动载试验结果

采用Midas-Civil分析软件建立有限元模型计算了桥跨结构的基本自振频率和振型，桥跨自振频率的计算值与实测值见表2及图6。

表2 结构自振特性表

图6 脉动试验频谱曲线图

实测自振频率为3.037 Hz大于理论计算频率2.084 Hz，表明实际结构的动力刚度大于理论设计值，桥跨结构动力性能良好；结构阻尼比正常，说明结构的整体性能和工作状况良好。

结构在各试验工况下的实测冲击系数和按照CJJ 11-2011《城市桥梁设计规范》[7]采用的冲击系数计算值见表3。

表3 结构冲击系数表(1+μ)

从桥跨结构冲击系数的实测值和根据规范计算的容许值的比较可知：实测桥跨的冲击系数为1.09小于理论值1.15，表明银川市贺兰山路跨包兰铁路桥既有桥主桥部分目前桥面较平顺，行车流畅。

4 结 论

通过Midas Civil分析软件对银川市贺兰山路跨包兰铁路桥的静载试验分析可以得出：

(1) 既有桥主桥部分测试截面的荷载效率为0.88～0.99，荷载效率小于1.05，表明该桥梁荷载—变形整体性能好，静力强度满足规范要求，实际承载力与工作性能良好。

(2) 实测一阶主阵型阻尼比为2.02%，且自振频率值大于理论值，表明该桥梁结构的整体刚度较好。

(3) 在无障碍行车试验作用下，冲击系数1.09也小于理论值1.15，表明该桥满足行车舒适性要求，且安全可靠。