基于有限元分析的預應力混凝土連續箱梁橋靜載試驗應用研究

晏晟堃 廖瑋琪 李 勝 陳 韜

（1.湖南城建職業技術學院，湖南 湘潭 411101；2.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南長沙 410008；3.岳陽市規劃勘測設計院有限公司，湖南 岳陽 414004）

0 引言

截至2023 年6 月，我國機動車保有量已達到4.26 億輛，未來10 年內我國機動車數量仍將持續、大幅增長，道路交通安全面臨更加嚴峻的挑戰。橋梁作為交通的關鍵節點，要承擔與日俱增的交通流量壓力，同時還要承受違法超載車輛帶來的損害。我國相當一部分橋梁尚未達到設計使用年限就出現較多的損害，橋梁總體的技術狀況不容樂觀，危橋數量多年居高不下。特別是近年來橋梁事故頻發，橋梁技術狀況已成為社會關心的熱點［1］，橋梁靜載試驗作為橋梁檢測的主要手段便顯得尤為重要。橋梁靜載試驗是指按照預先設計的試驗方案，將靜止的等效荷載作用施加在橋梁的某些特定位置上，通過專業工具、專業手段測量橋梁結構在此靜力作用下發生的應變、位移、沉降、裂縫等一系列相關數據，在分析試驗數據的基礎上，得到橋梁結構在試驗荷載作用下的真實工作狀態，檢驗橋梁的承載能力是否滿足正常使用的要求、橋梁結構設計是否合理、施工質量是否符合標準，并由此判斷橋梁的安全可靠性，為交（竣）工驗收提供科學依據［2］。

1 工程概況

某預應力混凝土連續箱梁橋為跨越滬昆鐵路及湘潭東站東牽引線、聯絡線及軍用專線的大型橋梁。該橋全長769.7 m，橋跨布置為6×35 m 裝配式連續箱梁+（42+70+42）m 預應力混凝土變截面連續梁箱梁+［（3×35+27.85）+（27.85+4×35）+3×35］m裝配式預應力混凝土連續箱梁。主橋采用三跨變高度預應力連續箱梁，主橋跨布置為（42+70+42）m，即長152 m。橋面寬度為2×［4.5 m（人行道、非機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+12 m（行車道）+2.0 m/2（中央分隔帶）］=36 m。主橋上部結構為（42+70+42）m 預應力混凝土連續箱梁，采用單箱雙室截面形式箱梁根部高度4.30 m，跨中梁高2.30 m，主梁高度自跨中至根部按2 次拋物線變化，梁高方程見式（1）。

式中：h為梁高；x為自跨中至根部的距離。箱梁頂板寬17.50 m，底板寬10.50 m；頂板厚0.28 m，底板厚度變化采用2 次拋物線，由根部厚度0.60 m漸變到跨中0.28 m；腹板厚度0#采用0.65 m，1～4#梁段采用0.65 m，5#為過渡段，6～8#梁段采用0.45 m；橋墩支點范圍內箱梁頂板厚0.28 m，底板厚0.60 m，腹板厚0.65 m。全橋采用左右分離式兩幅，主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系。

2 試驗方案

2.1 試驗荷載計算

橋梁靜載試驗應進行必要的與試驗有關的計算，所有相關計算結果均是判斷試驗荷載大小、加載等級的理論依據，同時也作為試驗加載相應的期望值［3］。試驗控制荷載根據與設計荷載等級相應的活載效應控制值確定，以使控制截面產生最不利荷載效應（內力和變形最大）荷載作為試驗控制荷載。

試驗控制荷載的計算根據橋梁基本參數和設計圖紙來確定，按照相關規范，利用Midas Civil 有限元程序建立該預應力混凝土連續箱梁橋的空間有限元模型?；谠撚邢拊Ｐ瓦M行分析，計算主橋試驗梁段的內力與變形，如圖1所示。

圖1 有限元建模分析圖

2.2 加荷車輛技術參數

根據上述計算結果和橋梁設計荷載等級，按照荷載等效的原則布置車輛荷載，結合當地實際車輛情況，選取8 輛單車試驗最大荷載為550 kN 的三軸載重汽車作為加載車輛。該車輛的載重參數和軸距參數分別見表1、表2。

表1 荷載試驗標準加載車輛軸重參數單位：kN

表2 荷載試驗標準加載車輛軸距參數單位：m

2.3 荷載布置

靜力試驗荷載可按控制內力、應力或變位等效原則確定。為了鑒定橋梁承載能力，試驗荷載工況的選擇應依據反映橋梁結構最不利受力狀態的原則來進行［4］。依據設計資料及結構特點，主橋靜載試驗荷載各工況平面布置如圖2所示。

圖2 主橋靜載試驗各工況荷載布置平面圖（單位：m）

2.4 撓度測試

主橋撓度測量采用水準儀測量，為保證主橋撓度測量精度，測點按照5 m一個布置，墩頂每側一個點，主橋全長154 m，共布置34×2=68個撓度測點，測點分別位于箱梁翼緣板處，具體位置如圖3所示。

圖3 橋面變形測點布置示意（單位：m）

2.5 應變測試

主橋連續梁橋應變采用振弦檢測儀與振弦應變計來測量，振弦應變計在主橋施工過程中已埋置于混凝土中。主橋應變測試截面布置如圖4 所示，大橋的試驗幅應力測試斷面為5 個，驗證幅應力測試斷面為3 個，C1、C1'斷面布置如圖5 所示的5 個應變測點，其余斷面布置如圖5 所示的3 個應變測點。

圖4 主橋應變測試截面布置（單位：cm）

圖5 測點示意圖

2.6 試驗程序

本次試驗對大橋主橋各測試截面分別進行了對稱加載、偏心加載測試。正式加載試驗前，先用兩輛試驗重車分別對加載幅橋梁進行預加載，使結構進入正常的工作狀態，同時檢查整個試驗、測試系統能否正常運行。

正式加載時，首先進行靜載初讀數，從靜載初讀數開始整個測試系統開始運作，測量、讀數，記錄人員進入狀態各司其職；隨后加載車輛按分級加載要求上橋，行車速度不大于5 km/h，為了避免結構意外損傷并準確獲取結構試驗荷載與變位的相關曲線，對控制截面試驗荷載分成2 級加載（50%、100%）和1 次卸載。在每一加載試驗工況中，加載方式為單次逐級遞加到最大荷載，然后1 次卸載到零荷載，并隨時觀測每級荷載作用下各控制參數的變化。

加載、卸載時，每個工況均要求穩定讀數和回零讀數，加卸載讀數均以撓度值控制，每次加載和卸載的持續時間主要取決于結構變位達到穩定標準時所需的時間［5］。如果殘余變形值與總變形值之比小于試驗規范的規定的允許值，則表明滿足要求，加載試驗結束；否則應重復以上步驟進行第二次加載試驗。加載過程中，對橋梁主要部位進行實時裂縫監測，待加載完畢后，全面檢查全橋的裂縫情況［1］。

3 靜載試驗結果

3.1 撓度測試結果

按試驗工況加載時，所有偏心加載均為靠近中央分隔帶一側，部分測點因遠離加載區域而撓度較小，在選擇撓度測試數據時，篩選各加載工況中變形相對較大處的測點撓度檢測數據進行分析，經數據整理，在各加載工況下主橋的豎向撓度測試結果及分析如圖6所示。

圖6 各工況主橋豎向撓度測試結果

3.2 應變測試結果

利用計算機控制的數據采集系統，事先設定靈敏度系數等修正參數，直接得到修正后的應變值。主橋箱梁截面在靜載試驗各工況下通過計算機控制的數據采集系統測得應變結果如圖7所示。

圖7 各工況主橋應變測試結果

3.3 裂縫觀測

經全面仔細檢查，該橋主橋在靜載試驗過程中及卸載之后，均未發現結構裂縫。

4 靜載試驗結果分析

靜載試驗效率按式（2）計算，宜介于0.95～1.05之間。

式中：SS為靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力、應力或變位的最大計算效應值；S'為檢算荷載產生的同一加載控制截面內力、應力或變位的最不利效應計算值；μ為按規范取用的沖擊系數值；ηq為靜力試驗荷載效率［6］。

根據標準加載車輛的技術參數及圖1 所示的計算結果，按照最不利荷載作用的內力等效原則，得到試驗效率見表3。

表3 靜載試驗效率

主橋靜載試驗結果及分析如下：①主橋連續梁橋荷載試驗的試驗效率在0.95～1.02之間，在0.95～1.05 范圍內，其試驗結果能夠反映結構現有的技術狀態；②在試驗荷載作用下，各工況下橋面縱向撓度的主要實測撓度值均小于相應的理論撓度值，撓度校驗系數為0.33～0.98，相對殘余變形很小，試驗橋跨結構滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）中試驗結構檢校系數ξ＜1 的要求和對殘余撓度值的要求；③各工況荷載下對應截面主要應變測點的應變校驗系數為0.25～0.94，在《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）試驗結構檢校系數的容許范圍內，各主要測點的相對殘余應變小于《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）中±20%的限值；④靜載試驗結果分析表明，測試橋跨的強度與剛度滿足設計荷載標準要求。

5 結語

綜上所述，靜載試驗是預應力箱梁橋橋梁檢測的重要檢測環節，本研究通過某預應力混凝土連續箱梁橋橋梁靜載試驗工程實例，基于有限元理論對橋梁整體進行建模分析，針對各工況制訂相應試驗方案；將有限元模擬數據和現場靜載試驗數據進行對比分析。結果表明，在各工況下，有限元模擬數據和現場試驗數據結果吻合，符合規范要求。由此可見，面對與日俱增的交通流量壓力，基于有限元分析的靜載試驗在橋梁檢測中的良好應用效果得到了驗證，為既有橋梁工程的健康監測和管養維護提供支持，為橋梁的安全評定提供依據。