靜載試驗結合有限元分析的橋梁檢測研究

李 鵬

(北京首創股份有限公司，北京 100028)

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靜載試驗結合有限元分析的橋梁檢測研究

李 鵬

(北京首創股份有限公司，北京 100028)

介紹了橋梁檢測的主要內容和方法，以某空腹式石拱橋為例，采用靜載試驗結合有限元分析法，檢測了橋梁的變形及內力分布情況，有效反映了該橋的實際狀態，為橋梁檢測提供了一種較為簡便的方法。

橋梁檢測，靜載試驗，有限元分析，承載力

0 引言

隨著中國公路、鐵路交通的發展，橋梁建設速度越來越快，橋梁數量也越來越多。據統計，截止2014年，全國公路橋梁75.71萬座、4 257.89萬m[1]。隨著橋梁建成時間的增長，橋梁設計、施工規范均發生了變化，橋梁結構本身也因為種種原因較建成時發生了變化，從而導致部分已建成橋梁(尤其是建成時間較長的橋梁)不滿足現行規范要求，需進行加固或者拆除。為了明確已建成橋梁是否符合現行規范要求，需要對橋梁進行檢測。隨著近年來有限元軟件的發展，為橋梁檢測提供了一種較為簡便的方法。

1 橋梁檢測的方法

1.1 橋梁檢測的主要內容

橋梁檢測時，應先對橋梁各構件進行評定，然后對橋梁各部件進行評定，再對橋面系、上部結構和下部結構分別進行評定，最后進行橋梁總體技術狀況的評定[2]。橋梁檢測主要包括以下內容：

1)外觀檢查：橋梁各構件混凝土脫落、漏筋空洞、機械損傷、裂縫檢查、尺寸復核。2)材料強度檢測：混凝土強度、混凝土碳化深度、鋼筋強度、配筋率檢測。3)承載能力驗算：地基承載力驗算、承載力極限狀態驗算、正常使用極限狀態驗算。

1.2 橋梁檢測方法

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，對橋梁加載最不利的汽車荷載，測量加載后橋梁主要控制點的位移、應變。通過有限元軟件計算加載后橋梁結構的變形、內力，根據規范的要求驗算橋梁結構承載力極限狀態及正常使用極限狀態，結合試驗測得數據對橋梁進行分析，最終得出橋梁是否滿足規范要求的結論。

2 橋梁檢測實例

某空腹式石拱橋建成于20世紀80年代，全長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。其建成運行近20年，為掌握該橋目前的真實工作狀態，有必要對該橋進行檢測，以便提出合理的加固改造方案，保證橋梁運營的可靠性。

2.1 外觀檢查

1)主體受力結構。采用裂縫觀測儀對主體受力結構進行普查，發現腹拱圈處存在裂縫。2)橋面系。橋兩端以外橋面損傷嚴重，存在裂縫。兩拱腳處的護欄連接處斷裂。橋面兩邊排水管堵塞，加之橋面存在較寬裂縫，導致橋面滲水，腐蝕橋體，橋面已有較嚴重變形。3)橋頭擋墻與錐坡。一側橋頭外側錐坡完全塌毀，其他錐坡也有部分塌毀。4)橋梁主要構件截面尺寸復核。實測橋面寬度、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計符合較好。5)橋梁主體結構體形與變形復核。主拱圈線形實測值與設計值基本符合，無明顯變形。橋體側向變形較小，在規范允許的范圍內。

2.2 橋梁主體結構的材料強度檢測

采用回彈與取芯方法對主材的強度和彈模進行測定，測定范圍包括主拱、腹拱、橋臺和墩墻。

綜合回彈與取芯強度試驗，可取石砌塊強度為MU50，砂漿強度代表值為M15，根據《公路圬工橋涵設計規范》取目前石砌體強度設計值為6.032 MPa，取彈模為22 GPa。

2.3 靜載試驗

1)試驗荷載及加載工況。靜載試驗加載車輛由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。試驗荷載采用等效荷載法確定，采用有限元軟件MIDAS/CIVIL計算在設計荷載作用下的各控制截面的最大設計彎矩，按影響線采用等效加載方式確定實際加載車輛數及其平面布置。并保證荷載效率系數滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中規定的0.8～1.0的要求。考慮該橋實際使用荷載特點，選擇了5種荷載工況進行靜載試驗，靜載試驗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。試驗中的加載程序采用分級加載和卸載，每次加載完畢，3 min后開始采集數據。

2)測試方法與測點布置。撓度測點：順橋一側在主拱圈兩端支座處、1/4跨處、跨中、3/4跨處布置5個測點，均用全站儀進行量測。應變測點：應變測點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，并在對應主拱1/4跨截面位置的腹拱下表面布置縱向應變測點，用振弦式應變計測試，相應的應變儀采集，共10個測點。

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如下：1)應變平截面假設。2)材料本構關系的線彈性假設。3)不考慮材料開裂后的影響。4)主拱和腹拱的自重以均布荷載的形式加在各自的梁單元上；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的梁單元上；腹拱填充以梯形荷載的形式加在主拱和腹拱拱頂的梁單元上；車輛以集中力的形式加于橋面，以此來計算拱橋的受力特性。

2.4.1 撓度結果比較

表1 各測點撓度實測值與計算值的比較(向上為正) mm

從表1對該橋撓度實測結果與計算結果比較可以得出：

1)實測與計算的變形趨勢的吻合較好，表明該次試驗測試結果是可信的、有效的。2)各控制截面的計算撓度略大于實測撓度值，表明該橋的實際剛度大于理論計算所取的剛度。3)在各種工況作用下，各控制截面的絕大部分計算撓度與實測撓度比值在0.7～1.05之間，滿足《試驗方法》中有關規定。個別不滿足《試驗方法》中有關規定是由于測試的誤差所致。4)從各種工況卸載后的殘余撓度可見，卸載后的殘余撓度較小，該橋具有較好的變形恢復能力。

在自重與車載作用下，實測撓度與計算撓度在一個橋跨范圍內的最大正負撓度的絕對值之和小于《橋規》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 應力比較

根據在汽車荷載作用下實測各控制截面的應變增量Δε，可計算出汽車荷載作用下各控制截面的實測應力的增量Δσ，其計算公式為Δσ=E·Δε。其中，E為石砌體的折算模量，取E=53.5 GPa。

表2 各測點應力實測值與計算值的比較 MPa

從表2中該橋應變的實測結果與計算結果比較可以得出：1)實測應力與計算值吻合較好，表明該橋的實際工作狀態仍與計算模型的狀態接近。2)從各種工況作用下的應力云圖可以看出，該橋在各種不利荷載作用下，拱腳處應力較大，為2.66 MPa,仍遠小于目前石砌體的實測抗壓強度設計值60.4 MPa，說明該橋主體結構的承載力是足夠的，并有足夠的安全儲備。

2.4.3 裂縫

在荷載工況5車輛作用時，重點測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

荷載試驗對橋臺的沉降變形進行了觀測，試驗發現橋臺的沉降變形非常小。

2.5 結論

1)橋梁主體結構沒有明顯缺陷、破損、風化現象，結構的主材砌體基本完好，材料強度與竣工時沒有明顯差異。主體結構沒有出現超過規范允許的豎向、側向變形。2)荷載試驗與有限元分析表明，該橋主體結構的承載力和剛度能滿足汽—Ⅱ級荷載通行的需求，并有一定的安全裕度。因此認為該橋主體結構是安全的。3)現存缺陷應進行相應加固。

3 結語

通過實際應用，靜載試驗結合有限元軟件分析用于橋梁結構檢測可以較好的反映出已建橋梁的實際狀態，可以判斷已建橋梁各項指標是否符合現行規范標準。

[1] 中華人民共和國交通運輸部.2014年交通運輸行業發展統計公報[Z].2014.

[2] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3] JTG/T H21—2011，公路橋梁技術狀況評定標準[S].

[4] JTG D61—2005，公路圬工橋涵設計規范[S].

[5] YC4—4—1978，大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[Z].

[6] 余志武.混凝土結構設計基本原理[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[7] 張俊平.橋梁檢測[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