有無橫隔板橋梁結(jié)構(gòu)性能對(duì)比分析

姜增國(guó)，王 敏，魯 沖

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430070)

0 引 言

靜動(dòng)荷載試驗(yàn)作為橋梁結(jié)構(gòu)中的整體檢測(cè)手段，各種橋梁參數(shù)對(duì)橋梁的受力情況都起到一定的作用，本文借助某實(shí)際工程進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行分析，所選橋梁結(jié)構(gòu)一種為上部結(jié)構(gòu)為三跨I型梁橋，跨徑13 m，梁與梁之間無橫隔板，另一種為同類型橋梁，但梁與梁之間聯(lián)接設(shè)有橫隔板，兩種類型橋梁均為簡(jiǎn)支體系.通過對(duì)橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)，分析橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載主要控制截面上的應(yīng)力應(yīng)變、變形撓度等情況，獲取橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)(如沖擊系數(shù)等)并與設(shè)計(jì)計(jì)算值進(jìn)行比較，對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、承載力作出明確的評(píng)估，為橋梁竣工驗(yàn)收提供技術(shù)依據(jù)，并對(duì)比了在受力存在有明顯區(qū)別的地方，從而進(jìn)行評(píng)價(jià).

靜動(dòng)荷載試驗(yàn)主要檢測(cè)內(nèi)容[1]：①橋梁結(jié)構(gòu)截面跨中最大撓度；②橋梁結(jié)構(gòu)截面跨中最大應(yīng)力變化；③橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載下的最大動(dòng)力響應(yīng)分析.針對(duì)不同的橋型，根據(jù)要求以確定橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài).

1 相關(guān)計(jì)算原理

1.1 橫向分布系數(shù)計(jì)算方法

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的特性，本文采用偏心壓力法[2]，偏心壓力法也稱為“剛性橫梁法”，適用于橋上具有可靠的橫向聯(lián)結(jié)，且橋的寬跨比小于或者接近0.5的情況，假定在荷載作用下，中間橫隔梁為一根剛度無窮大的剛性梁，僅發(fā)生剛體位移，不考慮主梁的抗扭剛度.

當(dāng)荷載P=1作用在第k片梁軸上時(shí)，對(duì)i號(hào)梁的總作用為：

(1)

式(1)中，ηik為i號(hào)主梁的荷載橫向影響線在k號(hào)主梁處的豎標(biāo)值；ai為第i號(hào)主梁梁軸到截面形心的距離；ak為第k號(hào)主梁梁軸到截面形心的距離；n為主梁片數(shù).

1.2 沖擊系數(shù)計(jì)算方法

在振動(dòng)荷載作用下測(cè)試不同工況下在跨中截面所產(chǎn)生的最大動(dòng)撓度，利用動(dòng)撓度峰值與同量級(jí)靜載撓度峰值之比確定沖擊系數(shù)大小[3-4]，計(jì)算原理如圖1所示.

圖1 動(dòng)撓度法計(jì)算沖擊系數(shù)示意圖Fig.1 Schemes for calculation of impact coefficient by dynamic deflection method

(2)

式(2)中：yd為動(dòng)撓度峰值；ys為靜撓度峰值；1+μ為沖擊系數(shù).

2 工程實(shí)例及試驗(yàn)分析

2.1 工程實(shí)例

在工程檢測(cè)當(dāng)中對(duì)上述兩種橋梁結(jié)構(gòu)在相同的靜力和動(dòng)力工況下進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，在試驗(yàn)過程當(dāng)中對(duì)應(yīng)變與位移的數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)分布如圖2所示.

圖2 應(yīng)變與位移測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Figure of strain and displacement point arrangement

為達(dá)到兩種橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)比性的目的，每個(gè)工況采用相同的分級(jí)加載、卸載測(cè)試，所選取的對(duì)比工況具體如下.a.靜載工況：①跨中最不利截面產(chǎn)生的最大位移，中載；②支座最不利截面產(chǎn)生的最大位移，中載;③最不利截面產(chǎn)生的最大位移，偏載.b.動(dòng)載工況劃分：動(dòng)載試驗(yàn)分勻速5、10、20、30 km/h的無障礙跑車試驗(yàn)、有障礙的跨中跳車試驗(yàn)，分別記錄兩種工況下對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)值.

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 橋梁靜力荷載試驗(yàn)a.主梁撓度值對(duì)比.在靜力荷載作用下，通過對(duì)中載和偏載的試驗(yàn)結(jié)果，選用在有無橫隔梁結(jié)構(gòu)跨中截面具有針對(duì)性的三種不同的工況所產(chǎn)生的撓度測(cè)試數(shù)據(jù)，并結(jié)合運(yùn)用有限元軟件建模計(jì)算的結(jié)果，其對(duì)比如表1、表2所示.

表1 有橫隔梁跨中截面撓度值表Table 1 Deflection of midspan cross-section with diaphragm mm

注：撓度以向下為正,以向上為負(fù).

表2 無橫隔梁跨中截面撓度值表Table 2 Deflection of midspan cross-section without diaphragm mm

注：撓度以向下為正,以向上為負(fù).

分別將在不同工況下各主梁之間產(chǎn)生的最大位移沉降值曲線對(duì)比繪制如圖3.

圖3 有無橫隔梁主梁撓度對(duì)比圖Fig.3 Contrast of girder deflection with/without diaphragm

b.橫向分布系數(shù)的對(duì)比分析[5-7].采用前面介紹的橋梁橫向分布系數(shù)計(jì)算方法，對(duì)有無橫隔梁橋梁這兩種的橋梁結(jié)構(gòu)在中載作用下所產(chǎn)生的橫向分布系數(shù)進(jìn)行解析法計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 有無橫隔梁橫向分布系數(shù)對(duì)比Table 3 Contrast table of distribution coefficient with/without diaphragm

由撓度和橫向分布系數(shù)表可以看出：①有橫隔梁的橋梁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大位移沉降要比無橫隔梁的要小；②有橫隔梁的橋梁橫向分布比較均勻，橫向聯(lián)系相對(duì)無橫隔梁要穩(wěn)定，所產(chǎn)生的數(shù)值較好.

2.2.2 動(dòng)力試驗(yàn)分析 利用試驗(yàn)車通過橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊的作用，使橋梁在作用下產(chǎn)生一定的位移變化值，通過有效計(jì)算分析得到的汽車相關(guān)沖擊系數(shù)分析μ值，如表4所示.

表4 汽車沖擊系數(shù)(1+μ)

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，運(yùn)行車輛對(duì)有橫隔梁橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊數(shù)值比無橫隔梁橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值明顯小，整體沉降均勻性較好.這從一個(gè)方面說明橋梁橫隔梁對(duì)振動(dòng)起到一定的受力傳遞作用，對(duì)橋梁整體性起到一定的作用，圖4圖5為動(dòng)撓度對(duì)比圖.

圖4 跑車20 km/h跨中截面動(dòng)撓度對(duì)比圖Fig.4 Dynamic deflection contrast figure of midspan cross-section under sports car with 20 km/h

圖5 跳車試驗(yàn)跨中截面動(dòng)撓度對(duì)比圖Fig.5 Dynamic deflection contrast figure of midspan cross-section under jumping test

3 結(jié)論與建議

本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，通過對(duì)有無橫隔梁的兩種橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比以及理論計(jì)算分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)有橫隔梁的橋梁結(jié)構(gòu)無論在動(dòng)力分析還是靜力荷載分析過程當(dāng)中都比無橫隔梁數(shù)據(jù)穩(wěn)定，所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變與位移數(shù)撓度值都相對(duì)較小，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)計(jì)算出的橫向分析系數(shù)，有橫隔梁要比無橫隔梁的橋梁結(jié)構(gòu)要均勻，能夠較好地傳遞荷載數(shù)值，這與理論計(jì)算分析是一致的，進(jìn)一步驗(yàn)證了橫隔梁在橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中的有效性.

此次試驗(yàn)對(duì)比分析了橋梁結(jié)構(gòu)在靜動(dòng)載試驗(yàn)中，在不同工況下有無橫隔梁受力時(shí)提供的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，不過對(duì)荷載在橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中如何傳遞還得進(jìn)一步研究分析.但此次試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)對(duì)以后相關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)工作以及橋梁設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)和借鑒的作用.

參考文獻(xiàn)：

[1] 諶潤(rùn)水,胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,1987.

[3] 申明文,周海俊.橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)方法[J].城市道橋與防洪,2007(7)：158-160.

[4] 克拉夫 R,彭津 J.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2006.

[5] 孫建國(guó).橋梁橫向分布系數(shù)計(jì)算方法的對(duì)比分析[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2011(6)：45-46.

[6] 劉華,葉見曙.橋梁荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2009，9(1)：62-66.

[7] Naiyu Wang, Curtis O’Malley,Bruce R Ellingwood,et al. Bridge Rating Using System Reliability Assessment. I: Assessment and Verification by Load Testing[J].J Bridge Eng， 2011(16)： 854.