連續(xù)剛構(gòu)橋梁的安全性能評估

■陳娜

（福州榕城港務(wù)發(fā)展有限公司，福州　350028）

連續(xù)剛構(gòu)橋梁的安全性能評估

■陳娜

（福州榕城港務(wù)發(fā)展有限公司，福州350028）

本文以某分離式連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，介紹了該橋環(huán)境振動的測試及精細有限元模型的建立，包括上下部結(jié)構(gòu)和樁土共同作用的模擬等，并進行了實測與計算動力特性的比較分析，利用結(jié)構(gòu)實測動力特性和精細有限元模型對該橋的安全性能進行了評估。

剛構(gòu)橋梁環(huán)境振動測試精細有限元模型安全性能評估

隨著交通事業(yè)的大力發(fā)展的需求，我國大跨徑橋梁的設(shè)計和施工技術(shù)也隨之迅速發(fā)展。在大跨徑橋型方案比選中，連續(xù)梁橋型仍具有很強的競爭力。在已建的高速公路及市政道路鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁的數(shù)量眾多，隨著運營時間的推移，橋梁管養(yǎng)部門急需了解橋梁的安全性能。為得到該橋當(dāng)前狀態(tài)，需要對橋梁的安全性能進行評估。本文利用結(jié)構(gòu)實測動力特性和精細有限元模型的結(jié)合進行某橋梁的承載力評估，該方法外業(yè)工作簡便、費用低，同時不影響交通，對于橋梁管理部門掌握橋梁當(dāng)前狀態(tài)具有非常強的可操作性。

1　橋梁概況

某分離式大橋為預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)T梁和預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)箱梁組合式橋梁，見圖1。橋梁全長757m，橋跨組合為30m+（40+70+40）m+3×30m+4×4×30m，設(shè)計荷載為公路-I級，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋墩采用雙柱式圓柱墩、矩形薄壁墩，橋臺采用肋式、柱式橋臺，板式、盆式橡膠支座。該橋已經(jīng)使用10年，為得到該橋當(dāng)前狀態(tài)，評估其安全性能，進行了環(huán)境振動測試和安全評估。

2　環(huán)境振動試驗

2.1測點布置

該分離式大橋主橋為40m+70m+40m的連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋共布置：17個橫橋向測點+1個橫橋向參考點；17個豎橋向測點+1個豎橋向參考點以及17個縱橋向測點+1個縱向參考點。

2.2環(huán)境振動測試

測試時橋梁振動的加速度信號由傳感器拾振，由采集儀采集大量的加速度信號。三個測試跨三個方向各分別有兩個測站。采樣頻率 500Hz，每測站采樣時間為10min。測試情況見圖2。

3　有限元分析模型

3.1有限元模型

有限元模型用ANSYS前處理建立，按結(jié)構(gòu)的實際尺寸建模，模型采用笛卡爾三軸坐標(biāo)。X軸沿橋縱軸線方向，Y軸豎向向上，Z軸沿橋橫軸方向。全橋有限元模型共有單元5445個，節(jié)點9099個。有限元模型見圖3。

3.2單元類型和材料參數(shù)

在有限元模型中，全橋采用Solid65單元模擬，用Combin14單元模擬橋兩端伸縮縫。

基本材料參數(shù)如下：箱梁C55混凝土：彈性模量E=3.55×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/ m3，泊松比0.167；橋墩C40混凝土：彈性模量E=3.25×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/m3，泊松比0.167；承臺C30混凝土：彈性模量E=3.00×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/m3，泊松比0.167。

3.3邊界條件模擬

根據(jù)實際位置施加約束，對支座節(jié)點Y方向（豎向）固結(jié)，X方向（橫橋向）和Z方向（縱橋向）用Combine14（Spring-Damper）單元模擬其縱、橫向摩擦；橋面兩端施加X方向和Z方向的彈簧，以模擬伸縮縫的約束情況；各處彈簧剛度取值見表1。對樁與土的相互作用，由于樁插入巖層樁尖處視之為固結(jié)約束，樁與樁側(cè)土的用彈簧阻尼單元Combine14模擬。

表1　各處彈簧初始剛度系數(shù)表

3.4樁－土相互作用土彈簧參數(shù)確定

在本文中，為方便建模計算，引入以下幾點假定：

（1）地基土水平分層，不考慮土層的傾斜，土介質(zhì)為線彈性的連續(xù)介質(zhì)。

（2）在給定的單元內(nèi)，假定地基反力系數(shù)為常數(shù)，由加權(quán)平均法得到該段土的平均地基反力系數(shù)，為簡化計算，假定彈簧系數(shù)為常數(shù)，不考慮土層的非線性反應(yīng)。

（3）由于2號墩樁底嵌入弱風(fēng)化凝灰熔巖深不小于3.0m，可以認為樁尖的位移為零，把樁尖設(shè)為固端。

（4）由于3號墩樁底處巖層為強風(fēng)化花崗巖，故按摩擦樁計算，樁尖設(shè)為不完全固結(jié)，豎向約束，橫向縱向添加Combine14彈簧阻尼單元。

從而建立如圖4簡化模型，把樁-土系統(tǒng)離散為質(zhì)彈阻模型，土和樁的相互作用根據(jù)土的分層用一系列的帶阻尼的等價土彈簧來模擬，根據(jù)樁側(cè)土層不同土質(zhì)用m法來計算對應(yīng)處彈簧的系數(shù)；與樁一起振動的地基土作為附加質(zhì)量加在對應(yīng)的樁上加以考慮。全橋模型邊界約束示意圖和樁基模擬局部圖如圖5和圖6所示。

4　實測與計算動力特性比較

通過環(huán)境振動試驗和實驗?zāi)B(tài)分析，共得到該分離式大橋豎向3階、橫向2階及縱向1階的頻率和振型，見表2和表3，相應(yīng)的有限元計算的頻率和振型也列于表2和表3。表2中的誤差是通過計算值與SSI法得到的頻率比較得到的。由表2可以看出，實測和計算頻率吻合較好，誤差基本在5%以內(nèi)。從MAC計算結(jié)果來看，實測和計算的振型吻合良好，見表3。

表2　實測與計算動力特性

表3　實測與計算振型比較

5　承載力性能評估

5.1計算依據(jù)及計算工況

為評價該橋是否滿足荷載標(biāo)準(zhǔn)正常行車使用要求，以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗荷載、加載車輛和輪位。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）的荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按最不利截面布置，分為滿載和偏載兩種方式。采用6輛三軸載重汽車加載，試驗載重汽車軸重列表4。

表4　加載車輛重量表

根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點，擬進行以下試驗工況的計算：

工況I：檢驗邊跨跨中截面（1號截面）在最不利汽車荷載（分滿載和偏載兩種工況）作用下的最大正彎矩效應(yīng)；工況Ⅱ：檢驗中跨跨中截面（3號截面）在最不利汽車荷載（分滿載和偏載兩種工況）作用下的最大正彎矩效應(yīng)；工況Ⅲ：檢驗2號墩頂截面（2號截面）在最不利汽車荷載作用下的最大負彎矩效應(yīng)。

5.2計算與試驗結(jié)果比較

計算撓度和應(yīng)變結(jié)果見表5和表6，《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）中給出的預(yù)應(yīng)力混凝土橋撓度校驗系數(shù)的常值范圍為0.60～1.00，應(yīng)變（應(yīng)力）校驗系數(shù)的常值范圍為0.50～0.90。該橋?qū)崪y撓度校驗系數(shù)為0.56～0.94，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.46～0.86，滿載時各工況下的撓度和應(yīng)變測點校驗系數(shù)基本在常值范圍之內(nèi)。故1、2、3截面的承載能力能夠滿足設(shè)計荷載要求。

表5　各工況滿載撓度表

表6　各工況滿載應(yīng)變表

6　結(jié)語

（1）環(huán)境振動測試能夠識別出橋梁基本動力特性，其中豎向基頻為2.19 Hz，橫向基頻為7.56 Hz，縱向基頻為1.46 Hz，一階模態(tài)阻尼比豎向為2.8%，橫向為5.2%，縱向為9.6%，介于一般橋梁結(jié)構(gòu)臨界阻尼比1.0%～10.0%之間，屬于正常范圍。

（2）利用環(huán)境振動測試結(jié)果對橋梁有限元模型進行參數(shù)修正后，該分離式大橋理論模態(tài)分析結(jié)果與實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果比較吻合，表明所采用的計算參數(shù)和邊界條件是基本正確的，修正后的有限元模型能夠基本反映橋梁當(dāng)前的真實狀態(tài)。

（3）汽車靜載測試和分析表明：本橋滿載時跨中截面的最大撓度為11.11mm，遠小于規(guī)程規(guī)定的限值，說明試驗跨橋跨結(jié)構(gòu)的整體剛度滿足設(shè)計荷載 （公路-I級）要求。該橋應(yīng)變校驗系數(shù)為0.46～0.86，滿載時各工況下的撓度和應(yīng)變測點校驗系數(shù)基本在常值范圍之內(nèi)，能夠滿足設(shè)計荷載要求和安全使用要求。

［1］孫勇，岑成賢.ANSYS在橋梁工程中的應(yīng)用［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，3.

［2］王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與 應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2011.

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