某鐵路運煤專線簡支梁靜載試驗分析

摘 要：【目的】以某在役運煤專線（3×16）m簡支梁為研究背景，測試其在靜荷載作用下的靜應變、靜應力及靜位移，由此分析橋梁結構在靜荷載作用下的工作狀態及其安全性能。【方法】應用橋梁有限元分析軟件Midas Civil建立該橋有限元模型進行靜力求解，經計算本次試驗跨確定加載工況為跨中截面加載，在現場開展靜載試驗分析。【結果】通過對該橋第二跨和第三跨梁進行靜載試驗，在荷載工況加載下，各控制截面測點應變校驗系數在0.47～0.57之間，變形校驗系數均在0.55～0.61之間。第三跨實測撓度最大為1.61 mm，換算到中-活載后為3.15 mm。【結論】在試驗荷載作用下，控制截面各測試點上的應變未出現異常變化，最大靜應變和最大靜位移均在規定的范圍內，實測值的變化規律和理論分析結構基本保持一致，應變校驗系數、變形校驗系數和實測最大撓度值換算到中活載后均小于《鐵路橋梁檢定規范》中的規定值，滿足規范要求，說明橋梁豎向剛度良好。

關鍵詞：簡支梁；安全性能；靜載試驗；撓度；應變

中圖分類號：U24" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）20-0066-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.013

Static Load Test Analysis of a Simply Supported Beam in a Railway Coal Special Line

Abstract： [Purposes] The static strain， static stress and static displacement of a simply supported beam （3×16） m of an in-service coal special line were tested under static load， and the working state and safety performance of the bridge structure under static load were analyzed.[Methods] The bridge finite element analysis software Midas Civil was used to establish the finite element model of the bridge for static solution. The loading condition of the test span was determined as mid-span section loading by calculation， and static load test analysis was carried out on site.[Findings] Through the static load test of the second and third span beams of the bridge， under the load condition， the strain calibration coefficient of each control cross section measuring point is between 0.47 and 0.57， and the deformation calibration coefficient is between 0.55 and 0.61. The maximum measured deflection of the third span is 1.61 mm， which is 3.15 mm after conversion to medium-live load.[Conclusions] Under the effect of the test load， the strain on each test point of the control section has not changed abnormally， and the maximum static transformation and maximum static displacement are within the specified range. The variation law of the measured value is basically consistent with the theoretical analysis structure. The strain calibration coefficient， the deformation calibration coefficient， and the measured maximum deflection value are less than the specified value in the “Railway Bridge Verification Specification” after conversion to the medium-live load. which meets the requirements of the specifications， indicating that the vertical stomach of the bridge is good.

Keywords： simply supported beam; safety performance; static load test; deflection; strain

0 引言

我國地形復雜，山區眾多，因此鐵路橋梁的數量龐大。由于鋪設鐵路線路受地形限制，需要建設大量橋梁。橋梁結構在長期的運營荷載作用下，由于行車密度不一、作用力集中、荷載變化大等的影響，使得橋梁結構產生局部損傷，并且損傷程度隨著時間變化會越來越嚴重，進而對橋梁結構的安全運營產生巨大的潛在威脅［1］。為了保證重載鐵路能夠安全運營，對鐵路橋梁定時的檢查、記錄、維修就顯得尤為重要。橋梁荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗，廣泛應用于新建、改建和加固的各類型橋梁，是檢驗結構性能和工作狀態最直接有效的方法［2］。橋梁靜載試驗是指將靜止的荷載作用于橋面上的指定位置，測試結構的靜應變、靜應力及靜位移等，以推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態和使用能力，從而確定橋梁結構實際工作狀態與設計期望值是否相符［3］。橋梁靜載試驗結果的合理性取決于橋梁靜載試驗方法的可靠性［4］。因橋梁結構和試驗環境較復雜，目前主要通過數值模擬的方式研究連續梁靜載試驗，但數值模擬時常忽略所建模型的準確性和可靠性。因此靜載試驗必須結合現場情況對模型理論值進行校驗從而得出正確結論。

本文以某在役運煤專線（3×16）m簡支π梁為研究背景，梁寬3.9 m。通過開展簡支梁靜載試驗，以及有限元模型仿真分析，評估試驗全橋各控制截面的應變校驗系數、撓度校驗系數等靜力性能關鍵指標，并對比各指標的實測值與理論值，以期為今后類似橋梁的安全運營提供參考。橋梁立面及橫斷面如圖1、圖2所示。

1 橋梁劣化狀態評定

在進行橋梁靜載試驗前對其混凝土梁、墩臺基礎、支座及附屬設施等做出劣化狀態評定，從而全面掌握橋梁狀態，對已產生的裂紋進行標記，以便在進行靜載試驗時對其進行重點觀察，具體如下。

①該橋橋面排水不暢，內翼緣間隙漏水導致梁體被雨水沖刷，梁體混凝土泛堿。該橋泄水管基本

失去功能，導致滲水沖刷梁體，泄水管下方梁體混凝土堿化腐蝕。部分梁體有蜂窩麻面，該橋墩身及臺帽有裂縫。②該橋梁體的碳化深度為4.5 mm，橋墩的碳化深度為4.0 mm，小于混凝土保護層厚度設計值。③該橋梁體混凝土強度推定值為33.2 MPa，橋墩混凝土強度推定值為27.5 MPa。④1#橋墩墩

身裂縫一條長1.1 m，寬0.25 mm，另一條長1.8 m、寬0.13 mm。2#墩臺帽小里程側豎向裂縫，長50 cm、寬0.28 mm，2#墩墩身高3 m處，環向裂縫寬0.55 mm。⑤鋼筋保護層厚度測試結果：采用HC-GY71混凝土鋼筋檢測儀檢測橋梁的保護層厚度，經檢測橋臺鋼筋保護層厚度介于32～40 mm之間；梁體鋼筋保護層厚度介于28～33 mm 之間。⑥全橋支座完好，梁體支座預埋鋼板有銹蝕，1#墩、2#支座墊石有裂縫。⑦0#臺、3#臺左右側護錐有雜草，且護錐灰縫全部脫落。⑧針對該橋出現的各種缺陷，建議在對該橋維修時一并處理，以確保橋梁外觀完好及保護其耐久性。

2 測試截面及試驗工況

本研究應用橋梁有限元分析軟Midas Civil建立該橋有限元模型進行靜力求解，如圖3所示。求解時各工況荷載的大小與實際試驗中載重車輛的前后輪稱重噸位和加載位置均相同。通過Midas Civil軟件建立有限元模型的主要步驟如下［5］。①結構離散化。根據結構特點和選定的單元類型，劃分單元和節點，并對節點和單元予以編號。②結構描述，選定整體坐標系。輸入試驗結構幾何、材料、荷載和支承條件的全部數據和各種信息以及有關的控制變量等參數。③單元特性計算。根據單元類型、單元節點號和節點坐標系及有關信息，分別算出局部坐標系下的單元剛度矩陣和等效節點荷載等。④組集結構總剛度矩陣和荷載總矢量。⑤求解結構的靜力平衡方程組計算所有的未知節點位移。根據單元節點位移和單元剛度矩陣計算各個單元應力。

為了滿足現場橋梁靜載試驗的要求，試驗應選擇能夠反映結構最不利受力狀態的工況。在進行各荷載工況布置時，參照在不同的布載形式下截面內力（或應力、變形）影響線（或影響面）。

本次試驗采用彎矩等效方法進行理論分析，由空間結構分析軟件Midas Civil 計算得出全橋設計活載作用下彎矩，在此基礎上確定最不利內力控制截面［6］。該橋梁結構形式為（3×16 m）簡支梁橋，試驗跨確定加載工況為跨中截面加載。

本次現場試驗的荷載采用東風8B型內燃機車雙機連掛進行加載，具體荷載參數如圖4所示。

在進行荷載加載時，機車停在每跨橋梁指定的位置10 min（每跨橋梁停3個位置），然后駛出橋梁位置后10 min，再次停留在另外一跨橋梁的指定位置，重復以上工作。每座橋預計用時2 h。該加載工況見表1。靜載試驗加載位置如圖5至圖7所示。

3 測點布置

根據受檢橋跨主體結構構造特點和結構受力特性，測點布置遵循以下原則：①測試位置的典型性和代表性；②測點截面的典型性和代表性；③測點布置的有效性和經濟性及現場實際情況。

根據以上原則，本次試驗擬定測點布設如下。①應變測點布置：跨中截面共18個測點，貼應變片之前先在既定位置表面進行打磨，清潔，具體位置如圖8所示。②撓度測點布置：在跨中截面橫向布置4個測點，如圖9所示。

4 現場試驗

4.1 準備工作

在進行現場測試前，根據加載方案完成如下試驗準備工作［7］：①粘貼混凝土橋梁應變片、連接相應導線，靜載測試聯機調試；②布置撓度測點；③標定試驗車輛的加載位置；④檢查現場環境是否符合試驗要求，確保試驗安全進行，清理試驗區域，為實施靜載試驗做好準備工作；⑤制定并執行相關安全措施，保障參與人員的人身安全。

4.2 靜載試驗步驟

①進行設備預壓試驗以消除非彈性變形的影響，并在現場檢驗和校準儀器設備，以確保其靈敏度和可靠性。

②在進行正式加載試驗時，按照工況次序依次施加荷載，每級荷載之間的間隔時間為5～10 min，各個試驗工況之間的間隔時間為20 min。

③試驗控制要求將試驗荷載分批逐級加載，施加每一級荷載后，觀察橋梁的反應（如應變、撓度、裂縫），以便判斷下一步是否需要施加更多荷載以及如何施加，從而保證結構的安全性。

④數據監測。完成各級荷載施加后，對裂縫、位移、應力等關鍵部位的觀測點進行在線監測，待所有數據趨于穩定后，進行數據采集工作。

⑤記錄車輛位置。在各級荷載施加完成后，標定列車對橋梁實際加載的部位，并進行詳細記錄。

試驗中應注意，一旦試驗車輛行駛到指定位置，應立即將列車制動；數據記錄人員應及時對記錄結果進行實時分析和對比，若發現異常情況，需立即向現場試驗總指揮報告。

5 靜載試驗結果及分析

5.1 數據分析

根據分析數據對橋梁的受力行為進行評估，可以通過比較理論計算得到的數值（SY）和現場實際測量得到的數值（SX）之間的接近程度來進行分析。通常，將這種比值稱為結構校驗系數，其是應力應變實際測量值與理論計算值之間的比值，即校驗系數K=SX/SY。結構校驗系數應滿足《鐵路橋梁檢定規范》中第10.0.8條的規定［8］。若檢驗系數在規范規定的范圍內，則說明橋梁結構實際強度或剛度有安全儲備，代表橋梁的實際狀況要好于理論狀況，若檢驗系數超過規范規定的范圍，則表明強度或剛度不足。

5.2 橋梁應力—應變特性

將各工況下相應測點實測應變除以計算值可得到各測點處的應變結構校驗系數。各工況下結構的應變及應變校驗系數見表2和表3，相應關系曲線如圖10和圖11所示。

在加載荷載工況下，各控制截面測點應變校驗系數在0.47～0.57之間，變形校驗系數在0.55～0.61之間，均滿足《鐵路橋梁檢定規范》中第10.0.8條的規定。研究表明該結構工作性能較好，承載力有一定富余。

5.3 橋梁撓度—變形特性

將各荷載工況下相應測點實測變形除以理論值可得到各測點處的變位結構校驗系數。各工況向上變形為正，向下變形為負。各工況下結構的變形撓度及變位校驗系數見表4，相應關系曲線如圖12和圖13所示。

研究發現整個靜載試驗過程中，各測點的豎向位移未發生異常變化。通過對該橋第二跨和第三跨

跨梁進行靜載試驗得出，第三跨實測撓度最大為1.61 mm，換算到中-活載后為3.15 mm，小于《鐵路橋梁檢定規范》中豎向撓跨比的通常值L/1 800=16 000/1 800=8.89 mm。

6 結論

①在試驗荷載作用下，控制截面各測試點上的應變未出現異常變化情況，最大靜應變和最大靜位移均在規定的-48～100 μ[ε]范圍內，實測值的變化規律和理論分析結構基本保持一致，應變校驗系數及變形校驗系數均滿足《鐵路橋梁檢定規范》中第10.0.8條規定。實測最大撓度值3.27 mm換算到中-活載后均小于《鐵路橋梁檢定規范》中豎向撓跨比的通常值6.67 mm，滿足規范要求，說明橋梁豎向剛度良好，滿足設計及使用要求。

②在裂縫狀態下，試驗荷載作用下上部結構和下部結構的既有裂縫未出現擴展現象。

參考文獻：

［1］馬萬良，羅奎.鐵路專運線簡支橋梁動載試驗分析［J］.蘭州工業學院學報，2019，26（4）：1-6.

［2］王燕，張飛.新建變截面連續箱梁橋靜動載試驗與性能評價［J］.鐵道建筑，2021，61（3）：19-23.

［3］馬立新，鞏愛云.混凝土橋梁檢測技術和應用［J］.河南建材，2009（3）：57-59.

［4］徐金滔.石川林場2號大橋梁靜載試驗檢測中關鍵點及方法探討［J］.建筑技術開發，2018，45（23）：106-107.

［5］韓保衛.某V撐剛構橋荷載試驗研究［J］.價值工程，2022，41（14）：61-64.

［6］李博.海岸灘涂地區高次超靜定剛架拱橋的施工關鍵技術研究與數值模擬分析［D］.蘭州：蘭州交通大學，2016.

［7］王龍，韓成海，陳武.淺析鐵路橋梁檢測方案的實施［J］.河南建材，2009（6）：91-92.

［8］孫建平.大跨度鐵路系桿拱橋靜動載試驗研究［J］.鐵道建筑，2012（9）：29-32.