HD-200型上承式貝雷梁橋承載能力評定及仿真分析

中圖分類號：U446;TQ013.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）10-0195-04

Evaluation and simulation analysis of bearing capacity of HD-2oo type top-bearing bailey beam bridge

GENG Guofeng，PAN Tao，YUAN Shengtao，NIE Liangpeng，YOU Pengsheng （Yunnan Tongqu engineering testing Co.，Ltd.，Kunming 65oo41，China）

Abstract：Inorder to study the bearing capacity and structural safety of anew HD-2OO deck bailey bridge under normaloperating conditions，theload testand finite elementanalysis werecariedout.Thethre-dimensional space grillage modelof Baileybeam bridgeis establishedbyusing thebridge software Midas civil.Basedontheprinciple of the most unfavorable force，the test section and test conditions are determined.By determining the test loading scheme and thearrangementofon-site measuring points，thestatic load testis to test the stressanddisplacementof each section measuring point，and thedynamic load test is to test the frequency，vibration mode and impactcoefficient of Bailey bridge.The measured values and theoretical values are compared and analyzed.The test results show that the Bailey beam bridge is inan elasticdeformationstate asa whole;undertheactionofdynamic load，the natural vibration frequency and impact coeficient of Bailey beam structure are within the allowable range of the code.

Key Words： HD-2OO model;top-supported bailey beam;carying capacity;vibration characteristics;structural verification

目前，越來越多的學(xué)者對貝雷橋進行研究并取得顯著性的成果[1-5]。許貴滿等對跨徑 24m 的下承式貝雷梁鋼便橋運用瞬態(tài)動力響應(yīng)分析方法研究動力因素分析；陳魯?shù)忍岢鲂滦拖鲁惺降墓繁銟蜢o載試驗研究；Domenic等8利用荷載試驗測試結(jié)果與材料特性值來優(yōu)化橋梁的有限元模型，從而評估橋梁在極限狀態(tài)下的受力性能；Bacinskas通過建立有限元模型對鋼桁架進行靜載和動載測試來研究鉚接鋼架橋的承載能力狀況；劉亞運[通過對\"321”型連續(xù)貝雷梁橋進行靜載試驗判定其結(jié)構(gòu)的承載能力；王文靜通過對某搶修工程貝雷橋進行荷載試驗及抗彎和抗剪驗算。因此，開展貝雷橋承載力評定及有限元分析具有一定的工程價值和意義[12-18]

本文以某跨河大跨徑貝雷梁鋼便橋為工程背景，對其進行結(jié)構(gòu)驗算及荷載試驗研究，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和技術(shù)指標(biāo)要求，采用橋梁軟件MidasCivil建立有限元模型，對貝雷梁橋進行靜動載試驗及結(jié)構(gòu)驗算，評定其承載力并驗算結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。

1工程概況

上承式貝雷梁便橋橋面凈寬為 6m ，最大跨度為42.2m ，設(shè)計荷載為掛車120t，道路等級為四級公路，貝雷梁采用HD200型貝雷梁結(jié)構(gòu)，橋梁全長為62.992m ，橋跨組成為 10.668m+42.196m+10.128m 最大跨徑采用4組3排單層加強編組，兩端跨徑采用4組雙排單層上加強編組，兩端及墩頂附近設(shè)置為高抗剪貝雷片。貝雷梁頂橫梁采用工25A型鋼制作，材Q235B，每節(jié)3根，橫梁間距為 101.6cm ；縱肋采用工12型鋼制作，材質(zhì)Q235B，間距 24.3cm ；橋面采用標(biāo)準(zhǔn)2 m×6.096m 橋面鋼板。橋面布置：單車道，凈寬 6m 設(shè)計荷載：120t汽車荷載；最大跨度為 42.2m ;橋上縱坡： 1.5% 。

2荷載試驗方案

2.1 有限元模型建立

為了科學(xué)準(zhǔn)確的對該貝雷橋進行荷載試驗，運用橋梁專用軟件建立該貝雷橋的三維空間梁格模型，模型總計9663個節(jié)點，14058個梁單元，1488個板單元，根據(jù)最不利荷載確定試驗荷載和測試截面，有限元模型中采用梁單元模擬貝雷梁，橋面板為 8mm 厚花紋鋼板采用板單元進行模擬。荷載效應(yīng)計算和相應(yīng)的加載效率的計算，活載效應(yīng)計算考慮車道荷載：掛車-120。

結(jié)構(gòu)邊界條件： 8mm 橋面鋼板與12B工字鋼縱梁之間采用彈性連接，以確保分配梁、貝雷片和橫梁的位移與鋼便橋的實際工作狀態(tài)一致，12B工字鋼縱梁與橫向分配梁之間采用節(jié)點彈性支承中剛性連接；兩片貝雷梁之間的聯(lián)系釋放梁端約束；下部結(jié)構(gòu)橋臺、橋墩與上部結(jié)構(gòu)之間連接采用支承條件中7自由度局部方向進行模擬。設(shè)計荷載（掛車-120）作用下軸力包絡(luò)圖如圖1所示。

圖1設(shè)計荷載作用下軸力包絡(luò)圖Fig.1Axial force envelope diagramunder designload

2.2 靜載試驗效率

根據(jù)JTG/TJ21—01-2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》，JTG/TJ21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，其中靜載效率 ?η_q 介于0.95～1.05。按式（1）計算：

以設(shè)計荷載（掛車-120）作為控制荷載，按控制截面內(nèi)力等效原則，通過加載試算確定采用總重 440kN 的四軸加載試驗車4輛，車輛主要技術(shù)指標(biāo)及其軸距和軸重如圖2所示。

圖2加載試驗車示意圖Fig.2Schematicdiagramof the loading testvehiclecm

通過對貝雷橋進行有限元仿真分析計算出來荷載效率如表1所示。

表1上部結(jié)構(gòu)靜載試驗效率系數(shù)

Tab.1 Efficiencycoefficient of staticload test ofsuperstructure

2.3 測試截面與測試工況

通過對橋跨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖和位移包絡(luò)圖的分析，以及從中提取的橋梁影響線，可以得出該橋梁結(jié)構(gòu)的最大軸力截面。根據(jù)JTG/TJ21-01—2015[1]中的要求，按最不利受力原則選取橋梁邊跨和中跨作為試驗橋跨，截面A-A及截面B-B共2個測試截面，如圖3所示。

圖3貝雷橋測試截面布置示意圖

Fig.3Schematicdiagramof the test sectionlayout of thebaileyBridgecm

橋梁的測試截面取控制截面A-A和B-B，縱橋向按最不利位置布載，橫橋向為中載加載，測試內(nèi)容在試驗荷載作用下控制截面的位移和應(yīng)變。靜載試驗分別包括以下2個試驗工況，如表2所示：

表2荷載試驗工況

Tab.2 Load test conditions

2.4測點布置與測試方法

應(yīng)力測點布置：應(yīng)力測試截面應(yīng)用數(shù)碼應(yīng)變計進行試驗數(shù)據(jù)的采集。應(yīng)力測點縱向布置于A-A截面和B-B截面，A-A截面共布設(shè)6片梁18個應(yīng)力測點，B-B截面共布設(shè)8片梁24個應(yīng)力測點，應(yīng)力橫向測試截面的測點布置如圖4所示。

位移測試邊跨采用數(shù)碼位移傳感器進行試驗數(shù)據(jù)的收集，中跨采用TrimbleDiNi03水準(zhǔn)儀測試位移。位移縱向布置于A-A、B-B截面處，其中A-A截面位移測點共布設(shè)6片梁6個測點，B-B截面位移測點共布設(shè)8片梁8個測點。

根據(jù)貝雷梁的結(jié)構(gòu)和受力特性，并考慮到荷載試驗對現(xiàn)場條件的要求，將其荷載流程中加載分為4級加載，卸載分為二級。

2.5 試驗加載流程

為了確保荷載數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及試驗過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，試驗前進行測試截面的選擇，應(yīng)變和位移測點、儀器設(shè)備的布置，其加載流程如下所示：

（1）預(yù)加載：空載 750% 荷載值→卸載；

（2）正式加載：空載 0% ）→工況I-1（ 25% 0 $$ 工況I-2（ 50% ） $$ 工況1-3（ 75% ） $$ 工況I-4滿載（ 100% ）→工況I-5（ 50% ）） $$ 空載。

3 結(jié)果與分析

3.1 位移測試結(jié)果

將該貝雷橋支座兩端的沉降扣除后處理得到的數(shù)據(jù)，在各靜載試驗工況下，實測位移值與理論位移值對比如圖5、圖6所示。

在各靜載試驗工況下，第2跨實測彈性位移值最大為 -32.55mm ，小于理論計算值-32.82mm（對應(yīng)校驗系數(shù)為0.99），表明橋梁實際剛度滿足規(guī)范要求；各靜載試驗工況下，位移校驗系數(shù)在0.88～0.99之間，試驗段貝雷梁在卸載后最大相對殘余變形為 4.63% ，小于 20% ，表明貝雷梁可恢復(fù)變形較好。

3.2 應(yīng)力測試結(jié)果

根據(jù)不同的荷載工況，A-A和B-B測試截面的實測應(yīng)變值與理論應(yīng)變值進行對比分析，其結(jié)果如圖7～圖10所示，規(guī)定受拉為正，受壓為負(fù)。

圖4B-B截面應(yīng)變測點布置圖Fig.4B-B section strain measurement point layoutdiagram mm

在各荷載工況下，A-A截面上弦桿實測最大拉應(yīng)變?yōu)?-124με ，理論計算應(yīng)變?yōu)?-130με ，下弦桿實測最大壓應(yīng)變?yōu)?145με ，理論計算應(yīng)變?yōu)?152με ，校驗系數(shù)介于0.77～0.96之間；B-B截面上弦桿實測最大壓應(yīng)變?yōu)?-81με ，理論計算應(yīng)變?yōu)?-90με ，下弦桿實測最大拉應(yīng)變?yōu)?305με ，理論計算應(yīng)變?yōu)?321με ，校驗系數(shù)介于0.87～0.96之間；由此可得出實測應(yīng)變值小于理論應(yīng)變值，表明貝雷橋抗彎強度滿足設(shè)計要求，卸載后最大相對殘余應(yīng)變值僅為 8.15% ，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求 20% ，表明貝雷橋整體結(jié)構(gòu)具有良好的彈性，能夠確保橋梁正常運行。

3.3 動力試驗

3.3.1 自振頻率

通過運用環(huán)境激振方法測試橋梁振動，利用高靈敏度加速度傳感器拾取貝雷橋的自振時域信號，通過傅里葉級數(shù)變換得到結(jié)構(gòu)的自振頻率。

經(jīng)過測試可得該貝雷橋?qū)崪y豎向一階基頻為2.74Hz ，與理論自振頻率的比值為1.00，實測基頻大于相應(yīng)的理論計算豎向一階基頻 2.73Hz ，表明實測剛度略大于理論剛度。

3.3.2 阻尼比

橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性是采用對數(shù)衰減率 δ 和阻尼比 D 來表征。通過自由振動信號分析可以得出指數(shù)規(guī)律衰減的周期振動，阻尼特性反映橋梁結(jié)構(gòu)自振信號的衰減快慢程度。

結(jié)構(gòu)阻尼比 D 采用自由振動衰減法進行測試，并按照式（2）[15][6]進行計算。

式中： n 為波的個數(shù)； A_i 為首波波峰; A^′_i 為首波波谷， A_i+n 為尾波波峰; A^′_i+n 為尾波波谷。

通過對現(xiàn)場實測的橋梁結(jié)構(gòu)振動衰減時域曲線進行濾波處理，然后按照上式進行多個周期的線性回歸分析。測試橋跨振動響應(yīng)較好地服從指數(shù)衰減。阻尼特性可以用阻尼比較好地描述，通過線性回歸得到該橋的阻尼比為 0.20% 。該橋?qū)崪y阻尼比較小。

3.3.3 動力響應(yīng)

在貝雷橋面上用一輛 440kN 的載重汽車，以10、20.30km/h 的速度來回往返勻速行駛過測試該橋的動力響應(yīng)。通過應(yīng)變時程曲線進行分析，該橋沖擊系數(shù)介于 0.07～0.13 之間，小于理論計算沖擊系數(shù) 0.16

4結(jié)語

（1）在掛車-120荷載作用下貝雷橋靜載效率介于0.96～0.97之間，滿足承載力評定要求，說明靜載試驗有效；

（2）在各荷載工況下，位移校驗系數(shù)為 0.88～ 0.99，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.87～0.96，表明貝雷橋的剛度較高，而且具有一定富余量；各工況卸載后應(yīng)變相對殘余最大值為 8.15% ，位移相對殘余最大值為4.63% ，均小于 20% 的規(guī)范極限值，表明該貝雷橋整體處在彈性狀況，承載能力滿足要求；

（3）在動荷載作用下，沖擊系數(shù)介于 0.07～0.13 之間，小于理論計算沖擊系數(shù) μ=0.16 ，橋面平順性較好；一階豎彎固有頻率理論值為 2.73Hz ，實測值為2.74Hz ，實測值略大于理論值，表明貝雷橋具有良好的動力特性且剛度滿足要求。

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