基于有限元模擬的 3×20m 曲線梁橋靜載試驗研究

紀文利，王海龍，王新剛*

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222； 2.東營港建設服務辦公室， 山東 東營 257237）

基于有限元模擬的 3×20m 曲線梁橋靜載試驗研究

紀文利1，王海龍2，王新剛1*

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222； 2.東營港建設服務辦公室， 山東 東營 257237）

為了使橋梁靜載試驗結果更加準確可靠，探索采用有限元軟件 midas Civil對 3×20m 曲線梁橋靜載試驗進行仿真模擬，并在此基礎上對靜載試驗方案進行了優化。試驗結果表明，有限元模擬橋梁靜載試驗方法準確可靠，橋梁剛度和承載能力滿足設計要求，并通過對試驗結果與模擬結果及規范值的比較分析，對橋梁結構做出總體評價。

靜載試驗；曲線梁橋；有限元；校驗系數

0 引言

橋梁靜載試驗是將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置，測試橋梁結構在荷載作用下的靜位移、靜應變、裂縫等參數，進而推斷橋梁結構在試驗荷載作用下的工作性能及承載能力[1]。橋梁靜載試驗既要客觀全面地評定結構的承載能力與使用性能，又要兼顧試驗費用、試驗時間的制約。本文結合天津港遠航散貨碼頭六經北路高架公路橋第十二聯（3 × 20）m 曲線梁橋，探索采用有限元軟件 midasCivil對橋梁靜載試驗進行仿真模擬，達到優化試驗方案，提高試驗效率的目的。

1 靜載試驗有限元模擬

1.1 工程概況

六經北路高架公路橋第十二聯為 3×20m 曲線梁橋，該橋橫向設計為4個車行道，車道布載形式采用中間 2 個車道通行 90 t特種車輛，兩側2個車道按公路-Ⅰ級荷載考慮。圖 1為車道荷載橫向布置示意圖。

圖1 車道荷載橫向布置示意圖Fig.1 Transversearrangementof the lane load

1.2 靜載試驗有限元模型的建立

根據第十二聯的（3 × 20）m 曲線梁橋的實際尺寸建立有限元模型[2-3]，并按照設計汽車荷載加載模擬分析，圖 2（a）、（b）為設計汽車荷載引起的彎矩包絡圖和剪力包絡圖。

圖2 設計汽車荷載引起的內力Fig.2 The inner force caused by vehicle design load

2 靜載試驗方案的確定

2.1 靜載試驗的基本原則

1） 按照各控制截面內力等效的原則，仿真模擬各試驗工況的實際加載車輛的數量和加載位置。

2） 靜力試驗荷載效率系數 η 不宜過小，否則不能反映出橋梁設計荷載下的工作性能，但也不宜過大，以防橋梁結構的損壞。實際荷載試驗時，試驗效率系數應控制在 0.95～1.05 之間[4]。

3） 為了獲取結構響應與試驗荷載變化之間的關系，以及防止結構意外損傷，試驗采用分級加載的方式，共分3級加載，1級卸載。

4） 若在加載試驗過程中發生下列情況之一，則立即終止加載試驗：①主要控制測點應變普遍超過計算值并且達到或超過按規范安全條件反算的控制應變；②多數控制測點位移超過規范允許值；③結構裂縫的長度、縫寬急劇增加，新裂縫大量出現，縫寬超過允許值的裂縫大量增多；④結構由于加載發出異常聲響。

2.2 靜載試驗控制截面及測點布置

根據有限元模擬分析所得到的彎矩及剪力包絡圖來確定的各控制截面位置如圖3所示。

圖3 靜載試驗控制截面位置示意圖Fig.3 Controlsection locationsof the static load test

1-1～3-3 截面和 4-4 截面應變測點布置如圖4 （a）、 （b） 所示，1-1 和 3-3 截面撓度測點布置如圖 4 （c） 所示。

2.3 試驗荷載及試驗工況

靜載試驗加載車輛采用前軸重 15 t和后軸重75 t的 90 t載重汽車 6 輛，加載工況及測試內容如表1所列，工況一和工況三分別為做偏載加載和對稱加載兩種加載方式；工況二和工況四為只做對稱加載方式。以工況一和工況二為例的加載工況車位布置如圖5所示。

圖4 測點布置示意圖Fig.4 Arrangementofmonitoring points

表1 橋靜載試驗加載工況及測試內容Table 1 Loading conditionsand content of the bridge static load test

圖5 加載車位布置示意圖Fig.5 Arrangem ent of load carpor ts

2.4 荷載試驗效率

靜載試驗效率如表2所示，滿足規范要求。

表2 荷載試驗效率系數計算表Table 2 Calculation table of the efficiency coefficien tsof load tests

3 靜載試驗實測結果及分析

靜載試驗結果在此僅列出和分析了工況一偏載加載和對稱加載兩種加載方式，其他工況試驗結果與工況一類似。

3.1 應變測試結果分析

工況一控制截面的梁肋實測應變如圖6所示，梁肋截面應變沿高度的分布呈線性，滿足 JTG/T J21—2011《 公路橋梁承載能力檢測評定規程 》關于“控制截面應變沿高度分布圖符合平截面假定”的要求。

圖6 梁肋實測應變Fig.6 Themeasured strain of beam and rib

工況一偏載加載、對稱加載 1-1 控制截面應變校驗系數及相對殘余應變如表3所示。

表3 試驗結果Tab le 3 Test resu lts

由表3可以得出：

1） 橋 梁 測 試 橋 跨 的 應 變 校 驗 系 數 在 0.51 ～0.98 之間，符合《 公路橋梁承載能力檢測評定規程》關于“校驗系數不大于 1”的要求。

2） 橋梁測試橋跨的相對殘余應變最大值為14%，符合《公路橋梁承載能力檢測評定規程》關于“主要控制測點的相對殘余應變不大于 20%”的要求。

3.2 變形測試結果分析

工況一控制截面位移校驗系數和控制截面相對殘余變位如表4和表5所示。

表4 位移校驗系數Table4 Calibration coefficientof the displacement

表5 相對殘余變位Table 5 The relatively residual deform ation

由表4和表5可以得出：

1） 測試橋跨的位移校驗系 數介于 0.85～0.91之間，符合《公路橋梁承載能力檢測評定規程》關于“校驗系數不大于1”的要求；

2） 測試橋跨的相對殘余變形最大值為 17%，符合《公路橋梁承載能力檢測評定規程》關于“主要控制測點的相對殘余變位不大于 20%”的要求。

3.3 靜載試驗結果

第十二聯（3 × 20）m 曲線梁橋靜載試驗的主要技術參數、技術要求（試驗規程及相關規范）及其評價如表6所列。

表6 靜載試驗主要技術參數Tab le 6 Themain technical parametersof the static load test

4 結語

靜載試驗結果表明：

1）（3 × 20）m 曲線梁橋的各測點實測數據分布與仿真計算較為吻合，校驗系數滿足試驗規程要求，橋梁的實際狀況要好于理論狀況，相對殘余應變或變位滿足試驗規程要求，橋梁符合彈性工作狀態。

2） 橋梁的受力性能和正常使用狀態承載力滿足 2 個車道通行 90 t特種車輛和 2 個車道通行公路-I級的設計荷載等級要求，結構工作狀況符合通車條件。

3）有限元模擬為靜載試驗提供了有力的理論依據，并據此優化了試驗方案，提高了靜載試驗效率。

[1] 杜建華.公路與橋梁試驗檢測 [M].北京：中國電力出版社，2009. DU Jian-hua.Test and measure of highway and bridge[M].Beijing：China Electric Power Press，2009.

[2] 劉 美 蘭.midas Civil在 橋 梁 結 構 分 析 中 的 應 用 [M]. 北 京：人民交通出版社，2012. LIU Mei-lan.The app lication ofmidas Civil in structural analysis of bridges[M].Beijing：China Communications Press，2012.

[3] 葛 俊 穎.橋 梁 工 程 軟 件 midas Civil 使 用 指 南[M]. 北 京 ：人 民交通出版社，2013. GE Jun-ying.Usermanual of themidas Civil bridge engineering software[M].Beijing：China Communications Press，2013.

[4]JTG/T J21—2011，公路 橋 梁 承載能 力 檢 測 評定 規 程[S]. JTG/T J21—2011，Specification for inspection and evaluation of load bearing capacity ofhighway bridges[S].

Static load test of 3×20m curve bridge based on finite elementmodeling

JIWen-li1,WANGHai-long2,WANGXin-gang1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;2.Construction ServicesOffice of Dongying Port,Dongying,Shandong257237,China）

In order tomake the bridge static load test resultmore accurate and reliable,we simulated the static loading testof 3 × 20m curve beam bridge by exploring finite elementmethod,and optimized the test scheme on this basis.The results show that,themethod of simulating the bridge static load test by finite element is accurate and reliable,the structural rigidity and bearing capacity satisfy the design requirements.A generalevaluation ofbridge structure ismade by the comparative analysis on the test results,the simulation resultsand the standard value.

static load test;curve bridge;finite element;calibration coefficient

U448.215；U446.1

A

2095-7874（2014）08-0030-04

10.7640/zggw js201408008

2014-03-24

2014-05-15

紀文利 （1979 — ），男，黑龍江雙城人，工程師，土木工程專業。* 通訊作者：王新剛，E-mail： wxg58@126.com