基于有限元數(shù)值模擬的新下花橋靜載試驗(yàn)分析

粟進(jìn)清

(邵陽縣公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心， 湖南 邵陽 422100)

隨著各類橋梁的大量建設(shè)，橋梁數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，隨之出現(xiàn)橋梁因承載能力不足或損傷而垮塌的事故，橋梁承載能力和工作性能檢測(cè)成為橋梁安全性能評(píng)定的重要內(nèi)容。靜載試驗(yàn)是有效評(píng)價(jià)橋梁承載能力和工作性能的一種重要方法。該文通過有限元數(shù)值模擬，對(duì)新下花橋開展靜載試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)其承載能力。

1 工程概況

新下花橋位于湖南省邵陽縣，上部結(jié)構(gòu)采用2×20 m預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)支空心板，橋面連續(xù)，全橋長(zhǎng)46.04 m。下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體墩擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。橫向由7片空心板組成，采用C50砼，中板和邊板寬度分別為1.24、1.495 m，高度為0.95 m。橋面鋪裝采用16 cm厚C40防水砼。荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。

2 有限元數(shù)值模擬

選取第1跨進(jìn)行靜載試驗(yàn)。使用橋梁有限元分析軟件MIDAS/Civil建立梁格模型對(duì)橋梁進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算模型采用7組縱梁?jiǎn)卧M7片空心板，共劃分為212個(gè)單元。為更好地模擬橋梁實(shí)際受力性能，考慮橋面鋪裝的影響，在梁上加設(shè)板單元，共劃分為180個(gè)單元。板單元和梁?jiǎn)卧捎霉补?jié)點(diǎn)連接(見圖1)。

圖1 新下花橋有限元模型

加載工況分為2種：工況Ⅰ為第1跨4#空心板最大正彎矩，橫橋向中載；工況Ⅱ?yàn)榈?跨1#空心板最大正彎矩，橫橋向偏載。采用4臺(tái)汽車進(jìn)行加載，每臺(tái)車總重380 kN。根據(jù)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，在所測(cè)試截面的內(nèi)力影響線上按最不利位置，根據(jù)實(shí)際加載車輛軸重、軸距等進(jìn)行布載，計(jì)算控制截面在試驗(yàn)荷載作用下最大內(nèi)力和按設(shè)計(jì)規(guī)范要求布置荷載作用下控制截面的理論內(nèi)力。靜載試驗(yàn)各工況荷載效率系數(shù)見表1。

表1 靜載試驗(yàn)加載工況與荷載效率系數(shù)

3 靜載試驗(yàn)方案

3.1 加載工況

試驗(yàn)荷載分4級(jí)加載和2次卸載，各靜載試驗(yàn)工況的加載方案和布載方式分別見表2、圖2。

表2 新下花橋靜載試驗(yàn)加載方案

圖2 新下花橋靜載試驗(yàn)車輛布載(單位：m)

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

(1) 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置。在第1跨跨中截面的空心板底面粘貼標(biāo)距為8 cm的應(yīng)變片，采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)試各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變(見圖3)。

圖3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)橫斷面布置

(2) 撓度測(cè)點(diǎn)布置。采用精密水準(zhǔn)儀對(duì)第1跨最大彎矩截面進(jìn)行撓度測(cè)試，并對(duì)支座截面進(jìn)行沉降觀測(cè)。各測(cè)試截面撓度測(cè)點(diǎn)見圖4。

圖4 撓度測(cè)點(diǎn)橫斷面布置

4 靜載試驗(yàn)分析

4.1 工況Ⅰ試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1.1 應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果與分析

工況Ⅰ下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表3和圖5，其中以正表示受拉、負(fù)表示受壓。由表3和圖5可知：工況Ⅰ下應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)η最大值為0.71，最小值為0.69，相對(duì)殘余應(yīng)變最大為4.2%，小于容許值20%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的要求。

表3 工況Ⅰ下各空心板的應(yīng)變

圖5 工況Ⅰ下各空心板應(yīng)變的橫向分布

4.1.2 撓度試驗(yàn)結(jié)果與分析

工況Ⅰ下?lián)隙葴y(cè)試結(jié)果見表4和圖6，其中負(fù)表示下?lián)?。由?和圖6可知：工況Ⅰ下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)η最大值為0.79，最小值為0.77，相對(duì)殘余變位最大為5.7%，小于容許值20%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的要求。

表4 工況Ⅰ下各空心板的撓度

圖6 工況Ⅰ下各空心板撓度的橫向分布

4.2 工況Ⅱ試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果與分析

工況Ⅱ下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表5和圖7。由表5和圖7可知：工況Ⅱ下應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)η最大值為0.73，最小值為0.70，相對(duì)殘余應(yīng)變最大為4.5%，小于容許值20.0%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的要求。

圖7 工況Ⅱ下各空心板應(yīng)變的橫向分布

表5 工況Ⅱ下各空心板的應(yīng)變

4.2.2 撓度試驗(yàn)結(jié)果與分析

工況Ⅱ下?lián)隙葴y(cè)試結(jié)果見表6和圖8。由表6和圖8可知：工況Ⅱ下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)η最大值為0.79，最小值為0.76，相對(duì)殘余變位最大為3.4%，小于容許值20%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的要求。

表6 工況Ⅱ下各空心板的撓度

圖8 工況Ⅱ下各空心板撓度的橫向分布

5 結(jié)論

在各靜載試驗(yàn)荷載作用下，新下花橋的應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范及使用要求，且在設(shè)計(jì)荷載作用下具有一定的安全儲(chǔ)備能力。各工況下控制截面主要測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變及相對(duì)殘余變位均在20%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)在所施加荷載作用下處于彈性范圍工作，結(jié)構(gòu)受力性能良好。各工況下實(shí)測(cè)撓度分布規(guī)律和應(yīng)變分布規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。綜上，在正常使用狀態(tài)下，新下花橋的承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。