靜載試驗(yàn)結(jié)合有限元分析的橋梁檢測(cè)研究

李 鵬

(北京首創(chuàng)股份有限公司，北京 100028)

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靜載試驗(yàn)結(jié)合有限元分析的橋梁檢測(cè)研究

李 鵬

(北京首創(chuàng)股份有限公司，北京 100028)

介紹了橋梁檢測(cè)的主要內(nèi)容和方法，以某空腹式石拱橋?yàn)槔捎渺o載試驗(yàn)結(jié)合有限元分析法，檢測(cè)了橋梁的變形及內(nèi)力分布情況，有效反映了該橋的實(shí)際狀態(tài)，為橋梁檢測(cè)提供了一種較為簡(jiǎn)便的方法。

橋梁檢測(cè)，靜載試驗(yàn)，有限元分析，承載力

0 引言

隨著中國(guó)公路、鐵路交通的發(fā)展，橋梁建設(shè)速度越來(lái)越快，橋梁數(shù)量也越來(lái)越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2014年，全國(guó)公路橋梁75.71萬(wàn)座、4 257.89萬(wàn)m[1]。隨著橋梁建成時(shí)間的增長(zhǎng)，橋梁設(shè)計(jì)、施工規(guī)范均發(fā)生了變化，橋梁結(jié)構(gòu)本身也因?yàn)榉N種原因較建成時(shí)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致部分已建成橋梁(尤其是建成時(shí)間較長(zhǎng)的橋梁)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，需進(jìn)行加固或者拆除。為了明確已建成橋梁是否符合現(xiàn)行規(guī)范要求，需要對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)。隨著近年來(lái)有限元軟件的發(fā)展，為橋梁檢測(cè)提供了一種較為簡(jiǎn)便的方法。

1 橋梁檢測(cè)的方法

1.1 橋梁檢測(cè)的主要內(nèi)容

橋梁檢測(cè)時(shí)，應(yīng)先對(duì)橋梁各構(gòu)件進(jìn)行評(píng)定，然后對(duì)橋梁各部件進(jìn)行評(píng)定，再對(duì)橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行評(píng)定，最后進(jìn)行橋梁總體技術(shù)狀況的評(píng)定[2]。橋梁檢測(cè)主要包括以下內(nèi)容：

1)外觀檢查：橋梁各構(gòu)件混凝土脫落、漏筋空洞、機(jī)械損傷、裂縫檢查、尺寸復(fù)核。2)材料強(qiáng)度檢測(cè)：混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化深度、鋼筋強(qiáng)度、配筋率檢測(cè)。3)承載能力驗(yàn)算：地基承載力驗(yàn)算、承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算、正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。

1.2 橋梁檢測(cè)方法

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)橋梁加載最不利的汽車荷載，測(cè)量加載后橋梁主要控制點(diǎn)的位移、應(yīng)變。通過(guò)有限元軟件計(jì)算加載后橋梁結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力，根據(jù)規(guī)范的要求驗(yàn)算橋梁結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)橋梁進(jìn)行分析，最終得出橋梁是否滿足規(guī)范要求的結(jié)論。

2 橋梁檢測(cè)實(shí)例

某空腹式石拱橋建成于20世紀(jì)80年代，全長(zhǎng)67.5 m，主拱凈跨40 m，橋面寬度7.6 m，為板肋拱空腹式石拱橋。其建成運(yùn)行近20年，為掌握該橋目前的真實(shí)工作狀態(tài)，有必要對(duì)該橋進(jìn)行檢測(cè)，以便提出合理的加固改造方案，保證橋梁運(yùn)營(yíng)的可靠性。

2.1 外觀檢查

1)主體受力結(jié)構(gòu)。采用裂縫觀測(cè)儀對(duì)主體受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行普查，發(fā)現(xiàn)腹拱圈處存在裂縫。2)橋面系。橋兩端以外橋面損傷嚴(yán)重，存在裂縫。兩拱腳處的護(hù)欄連接處斷裂。橋面兩邊排水管堵塞，加之橋面存在較寬裂縫，導(dǎo)致橋面滲水，腐蝕橋體，橋面已有較嚴(yán)重變形。3)橋頭擋墻與錐坡。一側(cè)橋頭外側(cè)錐坡完全塌毀，其他錐坡也有部分塌毀。4)橋梁主要構(gòu)件截面尺寸復(fù)核。實(shí)測(cè)橋面寬度、主拱圈截面尺寸(包括主拱圈寬度、厚度)、腹拱及墩墻截面尺寸等主要截面尺寸與設(shè)計(jì)符合較好。5)橋梁主體結(jié)構(gòu)體形與變形復(fù)核。主拱圈線形實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值基本符合，無(wú)明顯變形。橋體側(cè)向變形較小，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

2.2 橋梁主體結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度檢測(cè)

采用回彈與取芯方法對(duì)主材的強(qiáng)度和彈模進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定范圍包括主拱、腹拱、橋臺(tái)和墩墻。

綜合回彈與取芯強(qiáng)度試驗(yàn)，可取石砌塊強(qiáng)度為MU50，砂漿強(qiáng)度代表值為M15，根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》取目前石砌體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為6.032 MPa，取彈模為22 GPa。

2.3 靜載試驗(yàn)

1)試驗(yàn)荷載及加載工況。靜載試驗(yàn)加載車輛由4輛裝載車組成，每輛車的前軸重為5 t，后軸重為15 t，軸距4.2 m，輪距1.8 m。試驗(yàn)荷載采用等效荷載法確定，采用有限元軟件MIDAS/CIVIL計(jì)算在設(shè)計(jì)荷載作用下的各控制截面的最大設(shè)計(jì)彎矩，按影響線采用等效加載方式確定實(shí)際加載車輛數(shù)及其平面布置。并保證荷載效率系數(shù)滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》中規(guī)定的0.8～1.0的要求?？紤]該橋?qū)嶋H使用荷載特點(diǎn)，選擇了5種荷載工況進(jìn)行靜載試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)工況分別為支座加載、1/4跨加載、跨中加載、3/4跨加載、支座加載。試驗(yàn)中的加載程序采用分級(jí)加載和卸載，每次加載完畢，3 min后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

2)測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置。撓度測(cè)點(diǎn)：順橋一側(cè)在主拱圈兩端支座處、1/4跨處、跨中、3/4跨處布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，均用全站儀進(jìn)行量測(cè)。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在主拱的跨中截面、1/4跨截面、3/4跨截面和拱腳截面的板拱上表面，并在對(duì)應(yīng)主拱1/4跨截面位置的腹拱下表面布置縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，用振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)試，相應(yīng)的應(yīng)變儀采集，共10個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.4 有限元分析

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立該橋的空間有限元分析模型。

MIDAS軟件中有限元的基本假設(shè)如下：1)應(yīng)變平截面假設(shè)。2)材料本構(gòu)關(guān)系的線彈性假設(shè)。3)不考慮材料開(kāi)裂后的影響。4)主拱和腹拱的自重以均布荷載的形式加在各自的梁?jiǎn)卧?；橋面鋪裝和拱頂填料都以均布荷載的形式加在主拱和腹拱拱頂?shù)牧簡(jiǎn)卧?；腹拱填充以梯形荷載的形式加在主拱和腹拱拱頂?shù)牧簡(jiǎn)卧?；車輛以集中力的形式加于橋面，以此來(lái)計(jì)算拱橋的受力特性。

2.4.1 撓度結(jié)果比較

表1 各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較(向上為正) mm

從表1對(duì)該橋撓度實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較可以得出：

1)實(shí)測(cè)與計(jì)算的變形趨勢(shì)的吻合較好，表明該次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果是可信的、有效的。2)各控制截面的計(jì)算撓度略大于實(shí)測(cè)撓度值，表明該橋的實(shí)際剛度大于理論計(jì)算所取的剛度。3)在各種工況作用下，各控制截面的絕大部分計(jì)算撓度與實(shí)測(cè)撓度比值在0.7～1.05之間，滿足《試驗(yàn)方法》中有關(guān)規(guī)定。個(gè)別不滿足《試驗(yàn)方法》中有關(guān)規(guī)定是由于測(cè)試的誤差所致。4)從各種工況卸載后的殘余撓度可見(jiàn)，卸載后的殘余撓度較小，該橋具有較好的變形恢復(fù)能力。

在自重與車載作用下，實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算撓度在一個(gè)橋跨范圍內(nèi)的最大正負(fù)撓度的絕對(duì)值之和小于《橋規(guī)》允許撓度L/1 000=40 mm，表明該橋目前仍具有足夠的抗彎剛度。

2.4.2 應(yīng)力比較

根據(jù)在汽車荷載作用下實(shí)測(cè)各控制截面的應(yīng)變?cè)隽喀う?，可?jì)算出汽車荷載作用下各控制截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力的增量Δσ，其計(jì)算公式為Δσ=E·Δε。其中，E為石砌體的折算模量，取E=53.5 GPa。

表2 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較 MPa

從表2中該橋應(yīng)變的實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較可以得出：1)實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算值吻合較好，表明該橋的實(shí)際工作狀態(tài)仍與計(jì)算模型的狀態(tài)接近。2)從各種工況作用下的應(yīng)力云圖可以看出，該橋在各種不利荷載作用下，拱腳處應(yīng)力較大，為2.66 MPa,仍遠(yuǎn)小于目前石砌體的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值60.4 MPa，說(shuō)明該橋主體結(jié)構(gòu)的承載力是足夠的，并有足夠的安全儲(chǔ)備。

2.4.3 裂縫

在荷載工況5車輛作用時(shí)，重點(diǎn)測(cè)試了腹拱拱腳處貫穿的剪切裂縫的寬度增量Δw的變化情況。

2.4.4 橋臺(tái)

荷載試驗(yàn)對(duì)橋臺(tái)的沉降變形進(jìn)行了觀測(cè)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橋臺(tái)的沉降變形非常小。

2.5 結(jié)論

1)橋梁主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯缺陷、破損、風(fēng)化現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的主材砌體基本完好，材料強(qiáng)度與竣工時(shí)沒(méi)有明顯差異。主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)超過(guò)規(guī)范允許的豎向、側(cè)向變形。2)荷載試驗(yàn)與有限元分析表明，該橋主體結(jié)構(gòu)的承載力和剛度能滿足汽—Ⅱ級(jí)荷載通行的需求，并有一定的安全裕度。因此認(rèn)為該橋主體結(jié)構(gòu)是安全的。3)現(xiàn)存缺陷應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)加固。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，靜載試驗(yàn)結(jié)合有限元軟件分析用于橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)可以較好的反映出已建橋梁的實(shí)際狀態(tài)，可以判斷已建橋梁各項(xiàng)指標(biāo)是否符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.2014年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[Z].2014.

[2] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JTG/T H21—2011，公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] JTG D61—2005，公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] YC4—4—1978，大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[Z].

[6] 余志武.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[7] 張俊平.橋梁檢測(cè)[M].北京：人民交通出版社，2012.

Study on bridge detection of static load test combining with finite element analysis

Li Peng

(BeijingShouchuangCo.,Ltd,Beijing100028,China)

The thesis introduces major bridge detection contents and methods. Taking the hollow-stomach-style stone arch bridge as an example, applying static load test combining with finite element analysis method, it detects the bridge deformation and internal force distribution conditions, and effectively reflects the actual bridge conditions, which has provided rather simple method for bridge detection.

bridge detection, static load test, finite element analysis, bearing capacity

1009-6825(2016)13-0184-02

2016-02-23

李 鵬(1983- )，男，工程師

U441

A