朱小林

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

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高架連續(xù)梁橋的成橋靜載試驗(yàn)分析

朱小林

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

為分析高架連續(xù)橋梁的成橋受力特性，基于ABAQUS有限元仿真計(jì)算平臺(tái)對(duì)某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁高架橋的成橋靜載試驗(yàn)進(jìn)行全橋三維仿真，并通過(guò)索模溫降法來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)混凝土的預(yù)壓作用，在此基礎(chǔ)上對(duì)橋梁靜載效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算值對(duì)比成橋試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，發(fā)現(xiàn)兩者契合度較高。計(jì)算分析表明了采用索模溫降法進(jìn)行橋梁預(yù)應(yīng)力效應(yīng)計(jì)算仿真的有效性，對(duì)今后工程具有借鑒意義。關(guān)鍵詞：后張預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋；成橋靜載試驗(yàn)；索模溫降法；數(shù)值仿真

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)公路工程、市政交通的飛速發(fā)展，高架橋、互通跨線橋?yàn)槌鞘薪煌ǖ恼嫉鼐窒扌蕴峁┝诵碌慕鉀Q方案。在現(xiàn)階段交通運(yùn)輸工程建設(shè)項(xiàng)目中，城市高架橋或互通跨線橋中選取較多的上部結(jié)構(gòu)形式便是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁[1-3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市交通的快速發(fā)展，城市交通對(duì)橋梁的跨徑、橋面寬度和承載能力的需求也在不斷地增長(zhǎng)，與此帶來(lái)的橋梁的計(jì)算、分析理論和施工工藝也日趨復(fù)雜。同時(shí)隨著以有限元理論為計(jì)算核心的大型有限元計(jì)算平臺(tái)在橋梁工程中越來(lái)越被深入應(yīng)用，橋梁工作者能借助多種計(jì)算機(jī)輔助工具而逐漸了解橋梁結(jié)構(gòu)在施工階段、成橋通車和后期維護(hù)等諸多階段下的內(nèi)力和應(yīng)力分布形式，從而不斷推動(dòng)兩者間的相互進(jìn)步和合作[4-6]。

1 工程概況

選取某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁高架橋?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)現(xiàn)有大跨度混凝土橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)范和相應(yīng)技術(shù)方案的要求，對(duì)成橋靜載試驗(yàn)下的橋梁結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)和分析。

箱梁橋?yàn)樗目缫宦?lián)的箱梁橋，主梁結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。每跨跨徑均為30 m，橋面凈寬16 m。上部結(jié)構(gòu)采用雙箱單室等寬等高箱梁，上部結(jié)構(gòu)主梁標(biāo)準(zhǔn)截面示意圖如圖1所示。下部結(jié)構(gòu)在第26#墩處設(shè)置有固定支座進(jìn)行約束，與墩頂固結(jié)處理。其余橋墩位置處梁底均設(shè)有盆式橡膠支座與墩頂墊石連接并有效結(jié)合，從而形成良好的支承體系，支座均采用符合國(guó)標(biāo)Ⅱ型標(biāo)準(zhǔn)的盆式橡膠支座。主梁混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度50 GPa。主梁設(shè)計(jì)鋪裝結(jié)構(gòu)形式分為3層：上層為改性瀝青混凝土，底層設(shè)為C40級(jí)防水混凝土層，中間結(jié)合面噴涂透層油。防撞護(hù)欄采用部頒通用圖中的標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式，對(duì)應(yīng)混泥土等級(jí)為C35。計(jì)算分析中不計(jì)入橋面鋪裝和護(hù)欄對(duì)主梁承載的影響，僅作主梁均布荷載計(jì)入。

主梁鋼絞線為國(guó)標(biāo)7股冷拉鋼絲成束的標(biāo)準(zhǔn)鋼絞線，單根鋼絞線直徑為15.2 mm。計(jì)算計(jì)入鋼絞線松弛系數(shù)為1.03，對(duì)應(yīng)計(jì)算面積取139 mm2，彈模參數(shù)E取195 GPa。預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力為1 395 GPa，張拉則以應(yīng)力控制為主要控制原則，通過(guò)鋼束張拉端伸長(zhǎng)量實(shí)現(xiàn)輔助控制。其中，施工方根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，對(duì)主梁預(yù)應(yīng)力進(jìn)行超張拉后再回到初始張拉力錨固，從而減少預(yù)應(yīng)力、摩阻力等損失，結(jié)構(gòu)計(jì)算均按照張拉實(shí)際流程進(jìn)行考慮。

根據(jù)規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)第4.1.6條中對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的相應(yīng)條文要求[7]，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用符合可靠度指標(biāo)的極限概率設(shè)計(jì)原則，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)承載力的狀態(tài)可根據(jù)承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)這2種不同的極限狀態(tài)在概率的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的荷載效應(yīng)疊加組合。而成橋靜載試驗(yàn)中，通常采用正常使用極限狀態(tài)的等效荷載組合來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜荷載加載。按照荷載試驗(yàn)的相應(yīng)要求，加載前需要先根據(jù)各控制截面的荷載效應(yīng)影響線，確定截面的最不利荷載情況。選取效應(yīng)值最大的荷載作為成橋荷載試驗(yàn)中的主控荷載。由于加載車型、加載位置等諸多客觀條件的限制，靜載試驗(yàn)的加載形式很難與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)所選取的荷載及加載形式完全一致，故在荷載試驗(yàn)中為保證所選取的荷載能全面地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗荷能力和性能，常常在對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)荷載下以荷載效應(yīng)等效的原則對(duì)荷載的形式和加載車的縱橋向、橫橋向位置進(jìn)行等效計(jì)算，從而確定試驗(yàn)所選取的荷載車和車隊(duì)的組成。此時(shí)，以試驗(yàn)荷載效率系數(shù)η為轉(zhuǎn)換依據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)荷載、試驗(yàn)荷載的轉(zhuǎn)換。效率系數(shù)的推導(dǎo)公式由式(1)確定。

(1)

式(1)中，η多在0.8與1.05之間取值[8]；Sstat為試驗(yàn)時(shí)被檢測(cè)控制點(diǎn)內(nèi)力、撓度或應(yīng)力等效應(yīng)的理論值；S為設(shè)計(jì)所選取的荷載作用在結(jié)構(gòu)最不利效應(yīng)位置的時(shí)候，被檢測(cè)部位所發(fā)生的內(nèi)力、撓度或應(yīng)力等效應(yīng)的理論值；δ為設(shè)計(jì)時(shí)所取的動(dòng)力系數(shù)。根據(jù)式(1)及η的取值范圍，可反算出Sstat，即可確定靜載試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的加載車輛和車隊(duì)參數(shù)。

2 靜載試驗(yàn)

根據(jù)高架箱梁橋的設(shè)計(jì)說(shuō)明等相應(yīng)文件，設(shè)計(jì)車輛荷載為按照《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)局部修訂所規(guī)定的荷載[9]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)方案的相關(guān)條文要求，上部結(jié)構(gòu)成橋試驗(yàn)所選取的荷載效率系數(shù)η取0.9。荷載的縱橋向和橫橋向加載位置均由在荷載作用下依據(jù)控制斷面計(jì)算最不利影響線峰值位置進(jìn)行加載。高架箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)所選取的移動(dòng)荷載分布形式如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際等效選取的荷載分布形式如圖3所示。

根據(jù)四跨連續(xù)梁橋的超靜定結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形特征和內(nèi)力分布特點(diǎn)，綜合考慮全聯(lián)荷載試驗(yàn)的要求后，全聯(lián)主梁布置了25個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。全橋共布置了37個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，分別在每一跨的橋墩、蓋梁跨中處相應(yīng)布置了位移測(cè)點(diǎn)。在每個(gè)橋墩側(cè)布置了沉降觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)精密水準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，以消除靜載試驗(yàn)時(shí)因橋墩沉降對(duì)主梁撓度變形數(shù)據(jù)的影響。位移觀測(cè)點(diǎn)位的布置如圖4所示。針對(duì)此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了多組工況下對(duì)應(yīng)的荷載結(jié)合加載方案，由于篇幅有限，僅給出如圖5所示的3種加載方案的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 主梁全橋位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 數(shù)值計(jì)算

主梁在各種工況下的效應(yīng)均通過(guò)ABAQUS有限元計(jì)算平臺(tái)完成了數(shù)值仿真計(jì)算并進(jìn)行校核。采用BEAM單元建立鋼絞線空間有限元計(jì)算單元，采用3D-stress單元對(duì)混凝土梁進(jìn)行劃分。對(duì)于預(yù)應(yīng)力筋對(duì)混凝土的截面增強(qiáng)效應(yīng)，分析中我們通過(guò)索模溫降法等效實(shí)際施工中的預(yù)應(yīng)力張拉工況。

通過(guò)索模型桿單元在溫度作用下線性形變的性質(zhì)，改變桿單元的溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋張拉，即實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的張拉施工工況。根據(jù)桿單元有限單元法計(jì)算理論，模型計(jì)算所需設(shè)置的溫度變化值是計(jì)入降溫收縮引起的收縮量與張拉鋼束產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量相等的溫降值，即滿足公式(2)：

(2)

式(2)中，Δt為計(jì)算所需要施加的溫降值；A為預(yù)應(yīng)力鋼束的計(jì)算截面面積；α為預(yù)應(yīng)力筋的線膨脹系數(shù)；E為鋼絞線的彈性模量;鋼材的膨脹系數(shù)取1.25×10-5/℃。

4 結(jié)果分析

通過(guò)ABAQUS有限元計(jì)算平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，圖6～圖8給出了3種工況對(duì)應(yīng)下的橋梁整體豎向撓度云圖。根據(jù)工況1的計(jì)算結(jié)果，上部結(jié)構(gòu)在受到偏心荷載工況下橋面最大豎向位移出現(xiàn)在加載跨對(duì)應(yīng)偏心一側(cè)，計(jì)算所得最大豎向撓度值為5.31 mm。工況2對(duì)應(yīng)的荷載作用線通過(guò)主梁中心線，對(duì)應(yīng)的最大撓度出現(xiàn)在加載跨徑的跨中位置，最大豎向位移值為4.27 mm。工況3對(duì)應(yīng)荷載工況下尾跨跨中位置發(fā)生最大撓度，效應(yīng)值為5.84 mm。計(jì)算所得最大豎向位移值滿足結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)規(guī)范中規(guī)定梁橋撓度的成橋試驗(yàn)要求。

上述3種工況對(duì)應(yīng)的有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果均表明，橋梁預(yù)應(yīng)力筋張拉后主梁跨中處出現(xiàn)了拱起現(xiàn)象。主梁成橋試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與數(shù)值分析應(yīng)力值見(jiàn)表1。表1給出了主梁成橋試驗(yàn)中現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的豎向撓度值，并與有限元數(shù)值分析中對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值分析校核值與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采集的結(jié)果十分契合。此外，數(shù)值分析中的起拱現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果中初始狀態(tài)的主梁線型吻合。

圖6 工況1作用時(shí)主梁變形 圖7 工況2作用時(shí)主梁變形 圖8 工況3作用時(shí)主梁變形

表1 主梁成橋試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與數(shù)值分析應(yīng)力值

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件對(duì)某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁高架橋進(jìn)行了對(duì)應(yīng)成橋試驗(yàn)，完成了3種主要工況作用下的數(shù)值仿真分析；通過(guò)索模溫降法模擬預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉施工工況。結(jié)果表明：3種工況下的數(shù)值計(jì)算撓度值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值均滿足成橋試驗(yàn)規(guī)范的要求；主梁在成橋加載前的起拱值滿足公路橋規(guī)的起拱要求。通過(guò)將有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的位移觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值仿真計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值十分接近，并且有限元方法分析中橋梁的起拱與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果一致，從而得出索模溫降法可以有效模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)主梁承載力的貢獻(xiàn)作用，同時(shí)有限元方法對(duì)PSC連續(xù)箱梁橋成橋靜載試驗(yàn)的校核驗(yàn)算具有較高的計(jì)算精度和可信度，對(duì)今后類似工程的運(yùn)用具有較大的參考作用。

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(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Bridge Static Load Test Analysis of Viaduct Continuous Girder Bridge

ZhuXiaolin

(Shanxi Traffic Science Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006)

In order to analyze the bridge’s mechanical force characteristics of the viaduct continuous bridge,a 3D simulation analysis has been done for the static load test of one prestressed concrete continuous beam bridge based on the finite element simulation platform of ABAQUS,and the prestressed steel strand’ precompression on concrete was simulated through the cable model temperature drop method,on the basis of which the numerical calculation was done for the static load effect of the bridge.The analysis results show that the calculated values highly fits the measured values of the bridge test site after making a comparison between them.The effectiveness of calculation and simulation of bridge prestress effect is analyzed by using the method of cable mode temperature drop in the calculation and analysis.The research results have provided reference for the future projects.

post tension prestressed continuous beam bridge;static load test;cable mode temperature drop method;numerical simulation

2016-05-31

朱小林，工程師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.011

TU378

A

2095-4565(2016)05-0052-04