菖蒲港大桥桥梁荷载试验仿真分析

向峻昌

(宜昌市交通工程质量监督局 宜昌市 443000)

摘要： 依据《通城县菖蒲港桥扩建工程施工图设计》及相关文件建立模型,为加载计算提供基本计算模型,按照现行规范验算了控制截面在设计荷载作用下的内力、应力、变形等效应,确定了加载车辆数、加载位置、加载效率,经过将荷载作用下的效应值和模型计算的计算值对比,得出菖蒲港大桥承载力、刚度、裂缝均满足要求。

关键词： 荷载试验；试验工况；仿真分析

1 工程概况

1.1 桥梁说明

菖蒲港大桥位于通城县城区,横跨菖蒲港,菖蒲港大桥(左幅)是在原老桥下游增加一座新建桥梁,新桥与老桥之间相距2m,做中央分隔带分离,新建桥梁采用11×16.8m简支预应力混凝土空心板,桥台采用柱式桥台、钻孔灌注桩基础,桥墩采用柱式桥墩、钻孔灌注桩基础。全桥宽：0.75m(人行道)+7m(行车道)+2.5m(中央分隔带)+7m(行车道)+0.75m(人行道)=18m,设计荷载：公路-II 级,本次试验的根本目的是通过荷载试验来检验桥梁结构的施工质量,为桥梁的后期施工和竣工验收提供依据。同时,为桥梁日后的养护管理提供技术依据。菖蒲港大桥实景如图1所示。

图1 菖蒲港大桥实景图

1.2 主要技术指标

(1)设计荷载：公路-Ⅱ级；

(2)桥梁宽度：0.75m(人行道)+7m(行车道)+2.5m(中央分隔带)+7m(行车道)+0.75m(人行道)=18m。

1.3 主要依据

(1)《通城县城菖蒲港桥扩建工程施工图设计》；

(2)《公路桥梁荷载试验规程》JTG/T J21-01-2015；

(3)《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015；

(4)《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011。

2 结构仿真模型

2.1 加载车参数

本次试验荷载根据设计标准活荷载(公路-II级)产生的控制截面内力、位移等最不利效应值进行等效换算而得。经过计算确定,本次试验共需要2辆总重为369kN的三轴载重汽车。实际加载车辆参数见表1。

表1 加载车辆参数

车号重量(kN)轴距鄂L53978368.8赣G53520367.5轴距1.4m+3.5m

2.2 结构仿真模型

为了尽可能保证理论分析的准确性,菖蒲港桥的理论计算分析使用的是有限元分析软件Midas Civil,采用简化后的模型,对桥梁上部承重结构进行分析,模型如图2所示。

根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)中5.4.1条和5.4.2条,“交(竣)工验收荷载试验,应以设计荷载作为控制荷载”,“中小跨径桥梁多为多梁(肋)式结构,是针对单梁(肋)按照横向分布理论进行的设计,荷载试验通常以内力效应最大的梁(肋)为试验加载控制对象,兼顾其他梁的荷载效率不超限”。对菖蒲港大桥的荷载效应按照横向分布理论进行计算。

图2 菖蒲港大桥计算模型

2.3 仿真模型计算结果

本桥在计算试验荷载效应时采用桥梁专用软件MIDAS CIVIL建立梁格模型,计算模型如图3所示,各梁跨中截面弯矩见表2,图4～图7显示了加载车辆(二级)荷载作用下结构内力、位移。

图3 有限元梁格模型

表2 各板跨中截面弯矩(kN·m)

板编号123456中载461.9464.7472.9472.9464.7461.9偏载490.4484.3479.1262.8451.9433.5

图4 二级荷载下弯矩(中载)

图5 二级荷载下挠度变形(中载)

图6 二级荷载下弯矩(偏载)

图7 二级荷载下挠度变形(偏载)

3 静载工况确定及加载效率系数

3.1 试验工况选择

桥梁静载试验主要是通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形和内力,用以确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符。它是检验桥梁结构实际工作性能,如结构的强度、刚度等的最直接和最有效的手段及方法。菖蒲港大桥(右幅)为11孔16.8m简支空心板桥,右幅桥宽8m,双向两车道设计,根据其结构布置型式及其受力特点,选定该桥第二孔进行荷载试验。

静载试验共分为两种试验工况：

工况一：跨中截面最大正弯矩中载工况；

工况二：跨中截面最大正弯矩偏载工况。

图8 偏载工况车辆横向布置(单位：cm)

图9 中载工况车辆横向布置(单位：cm)

图10 各工况车辆纵向布置(单位：cm)

3.2 测试方案

(1)测试截面

测试截面选择第二孔跨中截面。

(2)测点布置

为了测试试验荷载作用下的应力(应变)状况,在1～6号梁板跨中截面粘贴应变片,测试各截面应变。为了测量在试验荷载作用下的变形情况,在1～6号梁板跨中截面安装位移计,测试各梁挠度变形。

(3)测试方法

①应变测试

根据选定的测试截面和测点位置严格按照操作规程粘贴电阻应变片,采用DH3816静态数据采集仪进行结构应变数据采集。

②挠度测试

在选定的板号下跨中截面和两端支点截面安装位移计,采用DH3816静态数据采集仪进行结构位移数据采集。

③影像资料

对每个工况均采用数码相机留取工作状态影像资料,对于新出现的病害情况应进行局部特写,力求全面反映病害特征。

3.3 试验中注意事项

(1)按试验方案中应变和位移测点布置方案进行放样。对应变测点位置进行打磨、找平处理后,粘贴电阻应变片并焊接导线。在此期间即时量测应变片与导线的连通性及其相应电阻值的大小,以保证连接于同一扫描单元的应变片的电阻值相差在0.5Ω以内。对于个别测点位置较潮湿,先用电吹风烘干然后贴片。

(2)正式加载前,对结构初始状态进行详细调查,以便进行试验前后状态对比分析。

(3)试验前对加载车进行过磅称重,记录下车的实际轴重、总重、轮间距和轴间距。最终的挠度和应力分析计算中的车辆荷载按实际的轴距、轮距和轴重取值,并计算实际的加载效率,其满足1.05≥ηq≥0.85的要求。

(4)正式加载前,取最大试验荷载的一半进行预加载,以消除结构的初始塑性变形,使其进入弹性工作状态。

(5)采用油漆标记出加载位置及加载等级,以便加载车辆准确就位。

(6)为减少温度变化对测试结果的影响,加载时间选在温度较为稳定的时间进行,并采取良好的温度补偿措施。

(7)为了保证结构安全,加载时宜进行分级加载,根据情况可分为2～4级加载,实测数据出现异常时,应随时停止加载。

(8)每种工况进行两次测试,以便进行比较分析。

(9)每种工况测试结构主要控制测点的残余变形,当相对残余变形大于20%时查明原因。如确系桥梁强度不够,酌情降低桥梁的承载能力。

3.4 试验工况加载效率系数

根据《公路桥梁承载能力评定规程》(JTG/T J21-01-2015)的规定,竣工验收静力试验荷载的效率系数ηq的取值范围为0.85≤ηq≤1.05。

其中：

式中：Ss—荷载试验荷载作用下控制截面内力效应值；

S—控制荷载作用下控制截面最不利内力计算值；

μ—按规范采用的冲击系数。

表3 荷载效率表

序号控制截面设计荷载弯矩值/kN·m①试验工况试验荷载弯矩/kN·m②加载效率η③=②/①1最不利中板跨中截面正弯矩513.1工况一(中载)472.90.9222最不利边板跨中截面正弯矩526.3工况二(偏载)490.40.932

中载作用下最不利中板加载效率为0.922,偏载作用下最不利边板加载效率为0.932,均在0.85～1.05之间,保证了试验的有效性。

4 结论

(1)静载试验效率

中载作用下最不利中板加载效率为0.922,偏载作用下最不利边板加载效率为0.932,满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)中对静载试验荷载效率的规定,“静载荷载试验效率,对交竣工荷载试验,宜介于0.85～1.05之间”(5.4.2条)。

(2)承载力

各工况跨中截面各测点应变校验系数在0.20～0.50之间,主要分布区间为0.2～0.4,基本满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)中要求预应力混凝土桥静载试验应变校验系数在0.60～0.90之间的要求(5.7.8条),表明各测试截面在试验荷载作用下强度满足设计要求。

(3)刚度

各工况跨中截面各测点挠度校验系数在0.28～0.34之间,满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)中要求预应力混凝土桥静载试验挠度校验系数在0.70～1.00之间的要求(5.7.8条),表明各测试截面在试验荷载作用下刚度满足设计要求。

(4)裂缝

试验过程及结束后,各测试断面未发现新增裂缝,原有裂缝未见明显扩展。

参考文献

[1] 叶见曙. 结构设计原理[M]. 北京：人民交通出版社,2005.

[2] 范立础. 桥梁工程[M]. 北京：人民交通出版社,1990.

[3] 杨炳成. 有限元素法[M]. 西安：西工大出版社,1996.

[4] 易伟建. 混凝土结构试验与理论研究[M]. 北京：科学出版社,2012.

Simulation Analysis on Load Test of Bridge over Changpu Port

XIANG Jun-chang

(Yichang Triffic Quality Supervision Bureau,Yichang 443000,China)

Abstract Basing on Construction Drawing Design of Extension Project for Bridge over Changpu Port in Tongcheng County and relevant documents, the model is built. In order to provide basic calculation model for loading calculation, the checking calculation on effects like internal force, stress, deformation and so on of control section under the influence of design load is made according to current code, so as to determine the number of loading vehicle, loading position, and loading efficiency. We can conclude that the bearing capacity, rigidity and crack of the bridge over Changpu port meet the requirements by comparing the effect size under the influence of load and calculated value of model calculation.

Key words Load test; Working condition of test; Simulation analysis

中图分类号： U441+.2

文献标识码： A

文章编号： 1673-6052(2018)01-0005-04

DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2018.01.002