采用有限元軟件研究橋梁加載效率超限的問題

周琳琳，賈海浩

(1. 長安大學;2.中國水電第十五工程局有限公司路橋工程公司)

1 引 言

橋梁荷載試驗的目的是通過加載試驗，評價橋梁技術狀況，記錄橋梁在荷載作用下的結構反應，為橋梁承載能力評定和日后養護、維修和加固提供科學依據和支持。確保橋梁處于良好的工作狀態，實現對營運橋梁進行有效管理和監控。

對不等跨徑連續梁橋，在中、邊跨跨徑差距較大時易產生對主要測試斷面進行加載而其他截面加載效率超限的問題，對橋梁結構造成不必要的破壞。雖然橫多人認識到了這點，但是在這方面鮮有研究，因此研究不等跨連續梁的加載效率十分必要。

針對以上情況，采用有限元軟件MIDAS/CILVAL、橋梁博士，選擇三種中、邊跨跨徑差距較大的橋型對主要測試截面進行加載，并計算出加載效率，且對可能出現超載情況的截面進行復核驗算。得出邊跨最大正彎矩并不在0.4L 位置處及隨著橋梁跨徑增大，在測試墩頂斷面時橋梁其他主要測試截面加載效率超限問題趨于明顯的結論，為以后不等跨橋梁的加載提供理論依據。

2 不等跨連續箱梁控制截面

建立25 m+35 m +25 m、30 m +50 m +30 m 、50 m +80 m+50 m現澆變截面預應力混凝土連續箱梁有限元模型，并做出三種橋型的包絡圖，從包絡圖可以得出:25 m +35 m+25 m 邊跨最大正彎矩位于0.44 L 位置處;30 m +50 m +30 m 邊跨最大正彎矩位于0.45 L 位置處;50 m +80 m +50 m 邊跨最大正彎矩位于0.44 L 位置處。并列出25 m+35 m+25 m 包絡圖如圖1 所示，該橋0.44 L、墩頂、第二跨跨中截面彎矩影響線見圖2～圖4。

圖1 25 m+35 m+25 m 現澆箱梁彎矩包絡圖

圖2 25 m+35 m+25 m 邊跨0.44L 截面彎矩影響線

圖3 25 m+35 m+25 m 墩頂截面彎矩影響線

圖4 25 m+35 m+25 m 中跨跨中截面彎矩影響線

3 加載工況

三種橋型加載工況如下:工況1、2:邊跨正彎矩最不利斷面加中、偏載;工況3、4:墩頂負彎矩最不利斷面加中偏載;工況5、6:中跨正彎矩最不利斷面加中、偏載。

三種橋型加載車均采用35 噸三軸重車，軸重分別為70 kN、140 kN 和140 kN，軸距為3.5 m、1.3 m，兩排加載車輛背向加載最小距離(兩車后軸軸距)控制為4.0 m。

4 結果及分析

4.1 25 m+35 m+25 m 橋梁結果及分析

規范規定橋梁荷載試驗的加載效率介于0.85～1.05 之間，對該橋整體截面彎矩加載效率以1.00 控制，據此判斷其他截面加載效率是否超限，之后調整相應控制截面加載效率，求得墩頂或跨中截面加載效率的上限。測試截面加載效率計算見表1。

表1 測試截面加載效率計算表

由各控制截面彎矩影響線可以看出，工況1、2 的加載位置，均不會對墩頂截面和中跨跨中截面造成加載效率超限的問題。工況3、4 由于加載車輛重量、數量及間距的影響，加載效率僅能達到0.91。

當工況3、4 墩頂負彎矩加載效率達到0.91 時，加載位置如圖6 中圖b。計算表明，此時第一排車中軸截面加載效率為0.99，第二排車中軸截面位置的加載效率為0.95，跨中截面的加載效率0.86。經過上述驗算可知，墩頂負彎矩采用2 排車加載達到最大加載效率0.91 時，加載車所在截面正彎矩加載效率均在規范規定范圍之內，加載安全。

4.2 30 m+50 m+30 m 橋梁結果及分析

測試截面加載效率計算見表2。

表2 測試截面加載效率計算表

由各控制截面彎矩影響線可以看出，工況1、2 的加載位置，均不會對墩頂截面和中跨跨中截面造成加載效率超限的問題。工況3、4 由于加載車輛重量、數量及間距的影響，加載效率僅能達到0.96。

當工況3、4 墩頂負彎矩加載效率達到0.96 時，計算表明，第一排車中軸截面正彎矩加載效率為1.06，超出規范上限值，第二排車中軸截面(即跨中截面)加載效率為1.05，達到規范上限值。因此將墩頂負彎矩加載效率調整為0.95，此時第一排車中軸截面加載效率為1.04，第二排車中軸截面位置的加載效率為1.03，跨中截面的加載效率1.05。因此對該橋型，墩頂負彎矩的加載效率上限值建議控制在0.95 以內。

4.3 50 m+80 m+50 m 橋梁結果及分析

測試截面加載效率計算見表3。

表3 測試截面加載效率計算表

由各控制截面彎矩影響線可以看出，工況1、2 的加載位置，均不會對墩頂截面和中跨跨中截面造成加載效率超限的問題。對工況3、4 加載方案驗算不利截面的加載效率計算結果見表4。

表4 墩頂0.82 加載效率對應其余截面加載效率表

從表4 可以看出，3、4 工況下墩頂負彎矩加載效率為0.82 時，第一排車中軸截面的正彎矩加載效率超限，第二排車中軸截面正彎矩加載效率達到規范上限，跨中截面正彎矩加載效率在規范范圍之內。而此時3、4 工況的兩排車已位于墩頂最大負彎矩影響線峰值附近，且兩排車距離已到4.0 m 限值。

調整3、4 工況兩排車的位置使其加載效率為0.81，使其他截面對應的加載效率在規范加載效率之內，加載效率計算見表5。

表5 墩頂0.81 加載效率對應其余截面加載效率表

當調整5、6 工況兩排車的位置，使中跨跨中截面的加載效率達到規范上限1.05 時，對應其他截面的加載效率見表6。

表6 中跨跨中截面1.05 加載效率對應其余截面加載效率表

表7 墩頂負彎矩加載效率表

以上計算表明:當邊、中跨跨徑差值較大時，兩排加載車不能滿足墩頂加載效率的要求，必須采用至少三排重車進行加載，且第三排車須布置在第一跨或第三跨適當位置，本橋墩頂加載效率最大為1.03，加載效率計算見表7;另外計算某截面加載效率時，需對其他截面的加載效率進行復核計算，以免其他截面加載效率超限。

5 結 論

從選擇的三種不等跨橋型的加載方案及相關驗算來看，可得出如下結論。

(1)邊跨最大正彎矩并不在0.4L 位置處，需要通過計算確定邊跨最不利截面位置，從而確定邊跨加載控制截面。

(2)計算表明:橋型一在中跨布置2 排車輛加載時，墩頂負彎矩最大加載效率達0.91，加載車所在截面正彎矩加載效率均在規范規定范圍之內，加載安全。樣本橋型二在中跨布置2 排車輛加載時，墩頂負彎矩最大加載效率為0.96，加載車所在部分截面正彎矩加載效率超限;樣本橋型三在中跨布置2 排車輛加載時，墩頂負彎矩最大加載效率僅為0.82，而此時加載車所在部分截面正彎矩加載效率已超限，由此可見，隨著橋梁跨徑增大，不等跨橋梁主要測試截面加載時其他截面加載效率超限問題趨于明顯。

(3)當跨徑較大時，跨中布置2 排加載車，墩頂負彎矩最大加載效率達不到規范規定值，需增加車輛，此時應盡量將加載車布置在橋墩兩側提升加載效率，避免中跨截面的正彎矩加載效率超限。

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