不同力學模型下橋梁靜力荷載試驗實例分析

■黃嘆生

（廈門合誠工程檢測有限公司，廈門 361000）

隨著橋梁服役時間的增長，近年來在役橋梁的靜力效應也備關注。 橋梁結構隨著時間的推移，其材料耐久性和結構承載能力退化程度成為橋梁管養單位不得不重視的問題。 在現行橋梁檢測標準中，主要通過建立橋梁靜力荷載試驗模型進行有限元分析，結合采集靜力荷載試驗作用下的橋梁變位及變形數據， 評價其是否滿足目標荷載的要求，進而將檢測與分析結果作為該橋今后運營和管理、檢修的參考。 在不同檢測機構、不同工程師開展評估工作時， 所使用的橋梁力學模型并不完全一樣，這就使得同一座橋可能出現的評估結果略有不同。 本研究利用MIDASCIVIL 和SAP2000 兩個分析軟件，分別對目標橋梁開展不同力學模型下靜力荷載試驗的分析、比較。

1 靜載試驗原理簡介

靜載試驗主要通過測量橋梁結構在靜力試驗荷載作用下各控制截面的內力、 應力及結構變位，從而檢驗橋梁實際工作狀態是否滿足規范要求。

（1）靜載試驗的控制截面根據可通過以下原則進行確定：①根據計算分析結果，選取活載作用下內力、應力、反力及結構變形較大的部位作為控制截面； ②根據構件的構造選取局部測試控制部位；③根據外觀檢測結果，將技術狀況較差的截面作為輔助控制位置。

（2）靜力荷載作用的按照如下方法確定：①對控制截面施加靜力荷載的大小根據設計荷載產生的靜力效應等效確定；②通常車行橋梁采用雙后軸車輛作為試驗加載車輛進行靜力荷載試驗；③根據CJJ/T 233-2015 《城市橋梁檢測與評定技術規范》[1]規定的要求，靜力試驗荷載可按控制內力、應力或變位等效原則確定，并按下式所確定的原則等效換算而得：

④試驗分析時，根據試驗需求，對目標橋跨建立MIDASCIVIL 或SAP2000 結構理論計算模型，計算最不利和典型截面或構件在設計荷載作用下的內力或變形響應，以確定測試控制截面和試驗荷載提供依據。

（3）測試內容的確定應該滿足如下要求：①應測試試驗作用下結構變位、變形、裂縫變化的情況；②測點的布置應該遵循左右對稱、上下兼顧、重點突出的原則，充分反應結構各個方向變化，且不宜過多；③試驗分析時，計算各工況試驗荷載作用下控制截面各測點的應變、內力和變形值，供測試過程試驗人員作為參考、比較、分析。

2 工程實例介紹

本次選擇的廈門BRT 專用車道高架橋梁群中的第41 聯作為分析對象(圖1)。該橋跨屬于區間橋，孔跨布置為（30+30+30）m，聯長90 m，橋寬10 m，橫斷面布置為0.5 m（防撞墻）+0.5 m（路緣帶）+3.75 m（行車道）+0.5 m（雙黃線）+3.75 m（車行道）+0.5 m（路緣帶）+0.5 m（防撞墻）=10 m。 橋面鋪裝：6 cm C50 防水混凝土調坡層+10 cm 瀝青砼面層。橋梁上部結構采用分節段預制拼裝、先簡支后結構連續的三跨預應力砼連續箱梁結構體系，預制箱梁混凝土采用C50。 箱梁截面采用箱型斷面，單箱單室結構， 梁高1.8 m。 標準的主梁預制頂寬均為9.8 m，底寬4.45 m，翼緣板挑臂長2.0 m；頂板厚28 cm、底板厚度為25 cm，腹板采用斜腹板，跨中腹板厚度為40 cm，支點處腹板厚60 cm。 翼緣板端部厚18 cm，與腹板交接處加厚到45 cm。 計算荷載：輕軌荷載（直線電機B 型車荷載），設計行車速度：60 km/h。 支座：采用抗震型盆式橡膠支座。

圖1 廈門市BRT 第41 聯高架橋平面布置圖

3 測試跨選擇

根據JTG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗規程》[2]，橋梁試驗孔應選擇受力性能具有代表性的位置，即結構受力最不利、技術狀況較差、損傷缺陷突出。 故而開展本次測試前，對該橋進行全面表觀缺陷檢測。

表觀質量缺陷檢測， 主要根據GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》[3]開展，通過目測結合儀器的方式，檢測目標橋梁結構混凝土表觀質量情況。

本次檢測發現橋面瀝青鋪裝層存在輕微磨損，伸縮縫存在堵塞、鋼構件銹蝕現象，錨固區混凝土縱向開裂橋面泄水孔存在堵塞， 水篦子缺失現象，防撞護欄砼豎向開裂，聲屏障鋼構件輕微銹蝕。 第一跨梁底存在泛堿析白和混凝土破損現象，第二跨存在2 條裂縫， 縫寬均超過規范允許的裂縫最大寬度允許值（0.2 mm）[4]，第三跨出現多出泛堿析白現象，結合本橋為3 跨等跨對稱結構，綜合考慮， 選擇第二跨和第三跨作為本次靜力荷載試驗跨。

4 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil 和SAP2000 通用軟件建立該橋空間有限元模型，分別見圖2、圖3。 模型中主梁皆用梁單元模擬，主梁支座類型為盆式鋼支座，模型中邊跨支座處主梁約束豎向、橫橋向的平動自由度和面外轉動自由度。 材料、尺寸等參數依據橋梁竣工圖紙所提供數據進行，材料強度、保護層厚度及鋼筋銹蝕狀況，在開展損傷較嚴重橋梁檢測評估時，應進行檢測，后根據測試結果與原設計進行比較、修約，并在模型中加以修正。 模型計算時，靜力荷載采用設計城市-B 級荷載進行， 荷載排列情況根據《城市橋梁設計規范》執行。

圖2 MIDAS/Civil 有限元模型

圖3 SAP2000 計算模型

汽車荷載沖擊力為汽車荷載標準值乘以沖擊系數， 橋梁靜力荷載在考慮汽車荷載沖擊力時，是根據理論沖擊系數進行修正，橋梁理論沖擊系數的計算方法參考《公路橋涵設計通用規范》。 本項目通過計算，橋梁一階頻率，即基頻為3.48 Hz，按照橋梁頻率及沖擊系數的換算方法， 頻率不小于1.5 Hz，且不大于14 Hz 時，沖擊系數取（0.167lnf-0.0157），即0.19。

5 靜載試驗分析

5.1 試驗斷面及工況

根據多跨連續梁橋的受力特點， 按最不利原則，靜載試驗共布置3 個荷載工況，分別為邊跨最大正彎矩工況、中跨最大正彎矩工況及支點最大負彎矩工況。 測試斷面示意見圖4，測試斷面應變片、撓度布置方式見圖5 （本項目重點研究不同力學模型的靜力荷載試驗實例分析， 裂縫觀測即變化、判斷，不受不同力學模型影響，故而本研究觀測數據不考慮裂縫分布及變化情況分析）。

圖4 靜載試驗斷面示意圖

圖5 測試斷面測點布置示意圖

本次靜力荷載試驗在計算過程中的理論計算荷載等級按照城-B 等級計算， 靜力荷載試驗實際采用4 輛重約為380 kN 的三軸載重貨車充當 （為節省篇幅，暫不列出車輛試驗加載具體位置）。 表1列出了各工況在兩種模型分析下的理論內力、試驗內力以及試驗效率。

表1 靜力荷載試驗效率比較

5.2 靜載測試分析

本次試驗過程中，按照荷載試驗效率及加載車的實際情況，分三級加載，記錄每級荷載作用下各測點的變化情況，本文重點分析滿載作用下的各測點數值。 對靜載試驗中測量得到的應變和撓度數據進行處理分析后得到，兩種力學模型各工況下斷面應變校驗系數平均值分別為0.61/0.62、0.70/0.64、0.64/0.63，最大應變相對殘余值為15.38%；撓度校驗系數平均值分別為0.63/0.67、0.68/0.70（負彎矩工況2 不測撓度）， 最大撓度相對殘余值為10.86%。各工況應變、 撓度校驗系數均滿足CJJ/T233-2015《城市橋梁檢測與評定技術規范》中所規定不大于1的要求，且相對殘余均小于20%。 工況的典型應變、撓度測試結果見表2、3。

表2 典型應變測試結果

表3 典型撓度測試結果

根據測試分析結果可得到， 正彎矩作用下，兩種力學模型的校驗系數較為接近， 結果比較真實、有效；負彎矩作用下，兩種力學模型的試驗校驗系數相差較大，一方面可能是負彎矩邊界約束模擬與實際情況不完全一致導致，另一方面可能是負彎矩工況兩種力學模型試驗效率相差較大產生。

6 結論

（1）MIDAS 及SAP2000 在單箱雙室連續梁結構模型中， 正彎矩工況試驗效率均能滿足規范0.95～1.05 的要求，且正彎矩工況試驗作用下各測點校驗系數在兩種力學模型下較為相近，且均滿足規范規定不大于1 的要求，說明其荷載試驗能夠反映橋跨結構在標準荷載作用下的受力性能。

（2）負彎矩工況試驗效率在MIDAS 及SAP2000力學模型分析偏差20%，主要為兩種力學模型中設計荷載作用下的負彎矩內力偏差較大，可能由于不同人員在不同模型中負彎矩處邊界條件設置不同、單元劃分大小不同等原因產生，在后續荷載試驗開展不同模型的比較時，應注意邊界條件、設計荷載標準、節點單元劃分等的設置，確保其一致性。

（3）由于橋面較窄，車道較少，不同力學模型負彎矩工況內力有一定差距，在單箱雙室連續梁的橋梁運營管理中，為充分反映橋跨結構負彎矩的受力性能，建議試驗通過多種模型力學綜合分析、相互驗證。

（4）在單箱雙室連續梁的橋梁運營管理中，由于在不同力學模型下，負彎矩結構內力容易產生較大偏差，建議加強對其養護與管養，切實開展負彎矩裂縫、剪切變形等巡養。