基于有限元的變截面連續(xù)箱梁動(dòng)力性能研究

馮維芳 高 揚(yáng)

(嘉善縣銀通有限公司，浙江 嘉善 314100)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有變形小、結(jié)構(gòu)剛度大、跨徑較大和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，因而在橋梁建設(shè)中被廣泛使用。當(dāng)跨度逐步增加到一定程度后，等截面連續(xù)梁支點(diǎn)處的負(fù)彎矩會(huì)比跨中的正彎矩大得多，甚至達(dá)不到受力要求。而變截面連續(xù)箱梁通過(guò)增加支點(diǎn)處梁體高度，能夠有效提高支點(diǎn)處的負(fù)彎矩和剪力[1]，因而在跨徑超過(guò)100 m的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋中，超過(guò)90%采用變截面連續(xù)箱梁[2-12]。

目前，變截面連續(xù)箱梁的力學(xué)研究和抗裂研究相對(duì)成熟[13-18]，但其在不同荷載下的動(dòng)力研究卻相對(duì)較少。基于此，本文通過(guò)對(duì)嘉興秀虹大橋的有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)分析對(duì)比，研究了變截面連續(xù)箱梁在車載作用下的動(dòng)力性能。

1 工程概況

秀虹大橋位于嘉興市秀洲區(qū)境內(nèi)，公路等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)。主橋上部采用57 m+95 m+57 m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)主墩采用實(shí)體墩，承臺(tái)接群樁，過(guò)渡墩采用柱式墩、承臺(tái)接樁基礎(chǔ)(見(jiàn)圖1，圖2)。

2 模型建立

依據(jù)施工圖設(shè)計(jì)文件建立計(jì)算模型，主梁采用梁?jiǎn)卧M，移動(dòng)荷載效應(yīng)計(jì)算采用四車道、公路—Ⅰ級(jí)及相應(yīng)的加載效率計(jì)算，通過(guò)有限元軟件Midas建立梁?jiǎn)卧Ｐ瓦M(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，全橋共有57個(gè)節(jié)點(diǎn)，56個(gè)梁?jiǎn)卧⒌挠邢拊Ｐ腿鐖D3所示，并分析其移動(dòng)荷載彎矩包絡(luò)圖(如圖4所示)和主橋移動(dòng)荷載最小位移圖(如圖5所示)。

3 靜載試驗(yàn)方案

控制截面及測(cè)點(diǎn)布置。根據(jù)本橋受力特點(diǎn)，選取下列控制截面及內(nèi)容進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)，各試驗(yàn)控制截面如圖6所示，并布設(shè)主梁撓度測(cè)點(diǎn)(如圖7所示)和主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(如圖8所示)。

根據(jù)JTG/T J21—01—2015公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程和變截面連續(xù)箱梁受力特點(diǎn)，確定設(shè)5個(gè)靜載試驗(yàn)加載工況(見(jiàn)表1)，限于篇幅，本文僅給出工況Ⅰ的試驗(yàn)成果。

表1 靜載試驗(yàn)加載工況

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

匯總工況Ⅰ靜載試驗(yàn)下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值和撓度值，并與結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到工況Ⅰ下理論計(jì)算撓度值、應(yīng)變值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖，工況Ⅰ理論計(jì)算應(yīng)變值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖，如圖9，圖10所示。

由圖9，圖10可知，工況Ⅰ撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.76～0.80，處于規(guī)范校驗(yàn)系數(shù)常值范圍內(nèi)，最大相對(duì)殘余6.33%，各測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，且相對(duì)殘余均小于20%，表明秀虹大橋試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求，并在彈性工作狀態(tài)。應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.64～0.82，處于規(guī)范校驗(yàn)系數(shù)常值范圍內(nèi)，最大相對(duì)殘余14.29%；各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，且相對(duì)殘余均小于20%，表明秀虹大橋試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，并在彈性工作狀態(tài)。

5 動(dòng)載試驗(yàn)

采用脈動(dòng)法進(jìn)行自振測(cè)試，測(cè)定橋梁的前幾階豎向振型、頻率以及阻尼比參數(shù)。建立橋梁空間有限元分析模型，進(jìn)行特征值分析，得到橋梁豎向前三階自振頻率，即：一階振型圖(f1=1.153 Hz)，為豎向?qū)ΨQ；二階振型圖(f2=2.238 Hz)，為豎向反對(duì)稱；三階振型圖(f3=3.058 Hz)，為豎向?qū)ΨQ，如圖11～圖13所示。

6 測(cè)試結(jié)果與分析

秀虹大橋?qū)崪y(cè)自振頻率、阻尼及振型特征說(shuō)明如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)自振頻率與振型特征

利用脈動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到秀虹大橋試驗(yàn)跨一階振型為豎向?qū)ΨQ；二階為豎向反對(duì)稱；三階振型為豎向?qū)ΨQ。實(shí)測(cè)振型與計(jì)算基本一致。秀虹大橋試驗(yàn)跨豎向振動(dòng)前三階實(shí)測(cè)頻率均大于理論值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論

1)各測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，且相對(duì)殘余均小于20%，表明秀虹大橋試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求，并在彈性工作狀態(tài)。各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，且相對(duì)殘余均小于20%，表明秀虹大橋試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，并在彈性工作狀態(tài)。

2)利用脈動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和有限元對(duì)比分析，實(shí)測(cè)振型與計(jì)算基本一致豎向振動(dòng)前三階實(shí)測(cè)頻率均大于理論值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。