基于MIDAS 對橋梁荷載試驗的應用研究

譚 鍇

(邵陽職業技術學院 建筑工程系，湖南 邵陽422000)

橋梁檢測荷載試驗是將標準設計荷載或標準設計荷載的等效荷載施加于橋梁結構的指定位置，檢測橋梁相關參數，按照所加載的荷載性質可分為靜力荷載試驗和動力荷載試驗。靜荷載試驗主要觀測橋梁結構在靜荷載作用下的靜力位移、靜力應變、裂縫等靜力特性，動荷載試驗是利用橋梁結構在某種激振作用下引起的結構振動，觀測其振動基頻、振型、阻尼比等動力特性［1］。本文結合橋梁結構分析與計算軟件Midas －Civil 及現場試驗檢測對高速公路某汽車天橋進行研究，并對其運行狀況作出綜合評價，從而為橋梁荷載試驗提供檢測依據。

1 工程概況

該高速公路汽車天橋上部結構為三跨預應力混凝土變截面連續梁橋，跨徑設置為25 m+36 m+25 m，箱梁采用單箱單室截面，箱梁頂板寬8 m，底板寬3.5 m，箱梁跨中及邊跨支點處梁高1.25 m，中跨支點處梁高為1.80 m，中支點至兩側18 m，內梁高按二次拋物線變化。橋面橫坡為雙向1.5%，主梁采用C50 混凝土支架整體現場澆筑，設計荷載等級為公路－Ⅱ級。

2 有限元模型

運用橋梁結構分析與計算軟件Midas －Civil 建立模型［2］并進行分析，全橋上部結構采用梁單元法建立。共58 個單元，59 個節點，模型如圖1 所示。

利用該模型計算橋梁在荷載作用下的撓度;運用時程分析法對該橋各個工況進行地震反應分析，探討該橋梁結構在地震中的受力狀態和變形特性。

圖1 連續梁橋有限元模型

3 靜載試驗

3.1 荷載工況

按照規范［3］并結合該橋實際情況共選取左邊跨跨中、中跨跨中和中墩支點3 個截面為試驗對象，按照公路Ⅱ級荷載標準進行試驗加載。本次試驗采用4 輛均重40t的三軸載重汽車加載，其軸距為3.5 m +1.35 m，靜荷載工況如圖2、圖3 和圖4 所示布置。

圖2 工況Ⅰ

圖3 工況Ⅱ

圖4 工況Ⅲ

3.2 靜力試驗荷載效率

為驗證所施加荷載是否能充分反映該橋梁的受力特點，采用靜力試驗荷載效應控制，其計算公式如下:

式中Ss為靜力試驗荷載下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力、應力或變位的最大計算效應值;S＇為檢算荷載產生的同一加載控制截面內力、應力或變位的最不利效應值;μ 為按規范取用的沖擊系數值;ηq為靜力試驗荷載效率。

利用公式(1)對該橋梁進行計算，求得靜力荷載效率如表1 所示，其中工況Ⅰ為左邊跨最大正彎矩效應;工況Ⅱ為中跨最大正彎矩效應;工況Ⅲ為中墩頂最大負彎矩效應。

表1 靜力試驗荷載效率

由表1 可知在3 種工況下靜力試驗荷載效率分別為0.979、0.953 和0.988，滿足ηq宜介于0.95 ～1.05 之間［3］的要求，表示該荷載的施加是有效的。

截面測點布置如圖5，其中N1 至N3 為撓度觀測點，B1 至B4 為應變觀測點。

圖5 測點布置圖

3.3 結構相對校驗系數及殘余變位

檢驗橋梁實際狀況是否處于良好狀態的一個重要標準是結構相對校驗系數及殘余變位。分別由公式(2)和公式(3)求得。結構校驗系數:

其中，Se為試驗荷載作用下主要測點的實測值，Ss為試驗荷載作用下主要測點的理論值。相對殘余變位:

其中，Sp為測點實測殘余變位，St為實驗荷載下測點的實測總變位。

依據試驗檢測結果及橋梁結構分析與計算軟件Midas－Civil 采用節點荷載模擬分析得出跨中截面撓度檢測如表2 所示。本文僅列出各截面的主要應變的實測值和理論值如表3 所示。

表2 跨中截面撓度值

表3 測點變位值

分析結果表明主要控制截面相對校驗系數介于0.407 ～0.927 之間，在規定范圍許可內;相對殘余應變介于1.66% ～4.37%之間，未超過20%［3］，表明該橋在試驗荷載作用下處于彈性范圍內。

4 動載試驗

橋梁結構的振動影響因素較多且涉及的理論較復雜，單從理論或計算分析不能充分反映其解耦股特性。利用激振方法激起橋梁結構的振動，測定橋梁結構的固有頻率、阻尼比、振型、動力響應等，從宏觀上對橋梁的整體剛度與使用性能進行判斷。

4.1 理論計算

依據現有經驗公式對連續梁橋自振頻率進行估算［4］，對于計算有沖擊力引起的正彎矩和剪力效應時，計算公式為

其中，l 為結構的計算跨徑(m)，E 為材料的彈性模量(N/m2)，Ic為跨中截面的截面慣性矩(m4)，mc為跨中處單位長度質量(kg/m)，G 為跨中處延米結構重力(N/m)，g 為重力加速度，取9.81(m/s2)。

依據該橋梁實際情況計算可得:中跨基頻為2.630 Hz。利用橋梁結構分析與計算軟件Midas －Civil 模擬橋梁豎向自振特性［5－7］，模態1 ～模態3 如圖6 所示。由圖6 可知:一階振型中跨跨中截面處振幅最大，二階振型邊跨跨中截面振幅最大，三階振型邊跨1/4 截面振幅最大。結構動力特性理論計算如表4 所示。

圖6 模態1 ～3

表4 動力特性理論計算值

4.2 脈動法測試

動載試驗采用一輛總重為11.5t 的汽車加載。取用INV3060A 智能信號采集分析系統采集數據［8－9］，將拾振器分別置于邊跨跨中截面位置和中跨跨中截面位置，采集該處的結構振動特性值。

利用橋梁結構所處環境的微小不規則的振動來確定橋梁結構的動力特性稱之為脈動法。結構的脈動能較好地反應出其固有頻率。封鎖橋梁交通，通過對該橋所處位置附近地殼微小破裂、遠處地震傳來的脈動及周圍機械振動引發的橋梁振動進行觀測，中跨跨中位置所測地脈動引發的加速度時程曲線［10－12］如圖7，自功率譜曲線如圖8。一階頻率值為3.430 Hz，大于結構動力特性理論計算值一階頻率2.722 Hz 和規范經驗估算值2.630 Hz，表明橋梁整體剛度處于良好狀況。

圖7 地動脈加速度時程曲線

圖8 自功率譜圖

4.3 跑車試驗

加載車輛以5，10，20 km/h 的速度無障礙通過橋梁，通過車橋共振觀測其振動特性［13－16］，以中跨跨中位置為例，車速為10 km/h 時實測振動頻率為3.376 Hz。對橋梁結構分析與計算軟件Midas－Civil 模型施加移動荷載，模擬跑車效應，模擬所得數據如圖9 所示。測得中跨跨中振動頻率為2.783 Hz，和模態1 的中跨跨中一階頻率計算值與規范經驗估算值相吻合，且均小于實測值，表明該橋梁的動力特性較好。

圖9 跑車時程曲線及頻譜圖

4.4 跳車試驗

跳車試驗是將試驗車輛的后輪從三角跳車墊突然下落對橋梁產生沖擊作用，從而激起橋梁結構的豎向振動。依據上文所得振型圖確定沖擊荷載的作用位置，分別在中跨跨中截面處和邊跨跨中截面處施加荷載，從而分別測量一階振型和二階振型頻率值。測得中跨跨中一階頻率值為3.517 Hz，大于一階振型軟件計算值頻率值2.722 Hz。邊跨跨中所測二階頻率值為5.716 Hz，大于二階振型軟件計算值頻率值4.796 Hz，該數據進一步表明橋梁解耦股整體剛度的良好性。本文列取中跨跨中測點所測數據如圖10 所示。

5 結 語

本文通過對該鋼筋混凝土連續梁橋的實際檢測及Midas－Civil 軟件模擬分析研究，得出以下結論。(1)靜力試驗荷載效率處于0.95 ～1.05 之間，表明所選取的試驗荷載為有效試驗荷載，能夠反映結構在荷載作用下的受力特性。相對校驗系數和相對殘余變位也符合規范要求。(2)脈動法測試、跑車試驗和跳車試驗測得中跨跨中截面頻率值分別為3.430 Hz，3.376 Hz 和3.51 7 Hz，平均值為3.441 Hz。且跑車試驗模擬值2.783 Hz 與規范經驗估算值2.630 Hz 相吻合。(3)動荷載試驗所測中跨跨中截面實測結構中跨跨中平均頻率值3.441 Hz ＞經驗估算值2.630 Hz，表明結構動力特性較好，整體剛度處于良好狀態。(4)利用橋梁結構分析與計算軟件Midas－Civil 模擬橋梁結構一階頻率值2.722 Hz 介于實測值和經驗估算值，模擬值與經驗估算值較接近，從而表明基于橋梁結構分析與計算軟件Midas 對橋梁荷載試驗分析是有效的，可作為橋梁荷載檢測的參考數據。

圖10 跳車時程曲線及頻譜圖

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