孟凡俠

（北京安信卓越信息科技有限公司，北京 100088）

1 荷載試驗(yàn)意義

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有公路橋梁已超過80 萬座，其中服役期限超過30 a 的占比約為1/3，這部分橋梁老化現(xiàn)象日益突出；另外20 世紀(jì)的大多數(shù)橋梁設(shè)計(jì)荷載和現(xiàn)有規(guī)范荷載有一定出入，并且當(dāng)前超載現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致很多橋梁存在較大的安全隱患。當(dāng)前對(duì)橋梁的檢測方法還是以日常巡檢為主，而人工巡檢更多的還是基于目測的外觀評(píng)定為主，通過這種手段很難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在損傷情況。

橋梁荷載試驗(yàn)是基于設(shè)計(jì)文件，同時(shí)考慮橋梁服役年限，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減后進(jìn)行數(shù)值模擬，通過計(jì)算得到橋梁的理論指標(biāo)，以及結(jié)合現(xiàn)場加載的橋梁的實(shí)際反應(yīng)，通過對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)和理論計(jì)算值的比對(duì)，評(píng)定橋梁既有狀況的一種方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的人工巡檢，不僅僅是對(duì)橋梁外觀進(jìn)行判定，靜載試驗(yàn)更加容易判斷橋梁內(nèi)在的損傷情況，是目前較為可靠的一種橋梁評(píng)定方法［1］。

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，荷載試驗(yàn)作為評(píng)定橋梁健康情況也變得越來越可行，可以鎖定關(guān)鍵部位的重點(diǎn)響應(yīng)，再反推加載形式和部位，使得加載問題和理論實(shí)際對(duì)比變得簡單［2－5］。本文以實(shí)際背景橋梁為例，進(jìn)行結(jié)合有限元程序的荷載試驗(yàn)方法的說明，并對(duì)結(jié)合有限元的荷載試驗(yàn)方法注意事項(xiàng)進(jìn)行探討。

2 基于背景橋梁的荷載試驗(yàn)分析

2．1 背景橋梁概況

某大橋長928． 85 m（其中主橋長324 m，引橋長604．85 m） 。主橋采用（36 +72 +108 +72 +36） m 鋼管混凝土拱連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式［6］，引橋采用3 ×32．7 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁建設(shè)運(yùn)營已達(dá)15 a 之久，所以有必要對(duì)該橋做一個(gè)全面的承載能力評(píng)定，橋梁布置圖如圖1 所示。

圖1 主橋布置圖

2．2 有限元模型建立

對(duì)大橋建立有限元分析模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，主拱、邊拱、主梁模擬為梁單元，吊桿模擬為桁架單元。其中梁單元共計(jì)5 210 個(gè)，節(jié)點(diǎn)4 925 個(gè)。吊桿和主梁通過剛性連接連接，主拱與主梁、邊拱與主梁通過彈性連接的剛性加剛性連接來模擬剛接效應(yīng)。

所建立的全橋三維有限元模型見圖2。

圖2 全橋模型三維視圖

本次檢測主要依據(jù)JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程開展相關(guān)計(jì)算工作，通過對(duì)橋梁進(jìn)行的靜力荷載試驗(yàn)，測定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制截面及關(guān)鍵構(gòu)件在試驗(yàn)荷載作用下的響應(yīng)，然后與有限元理論計(jì)算值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的受力性能是否滿足預(yù)期。

2．3 檢算評(píng)定方法

其承載能力極限狀態(tài)主要依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。

γ0S≤R(fd，ζc，adc，ζs，ads)Z2(1 －ζe) 。

其中，γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S為荷載效應(yīng)函數(shù)；R（） 為抗力效應(yīng)函數(shù)；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；adc為構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；ads為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；Z1為承載能力檢算系數(shù)；ζe為承載能力惡化系數(shù)；ζc為配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；ζs為鋼筋的截面折減系數(shù)。

2．4 檢測實(shí)驗(yàn)荷載的確定

就結(jié)構(gòu)的具體某一測試內(nèi)容，推算所需加載車輛的數(shù)量，也就是根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的在該結(jié)構(gòu)構(gòu)件最不利響應(yīng)值，按下式所確定的原則進(jìn)行等效換算。

其中，η為靜力試驗(yàn)荷載加載效率；Stat為試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)某一加載構(gòu)件對(duì)控制截面內(nèi)力或變位等的最大計(jì)算效應(yīng)值；S為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載不計(jì)沖擊荷載作用時(shí)產(chǎn)生的該加載構(gòu)件對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利計(jì)算效應(yīng)值；1 +μ為設(shè)計(jì)計(jì)算沖擊系數(shù)。

按照上述加載原則，得到檢測荷載布置情況如圖3所示。

2．5 檢測荷載布置追蹤

通過有限元程序的荷載追蹤功能，針對(duì)主跨拱肋左拱腳軸力最大和最小、主跨拱肋格右拱腳軸力最大和最小、主跨拱肋拱頂彎矩軸力最大和最小6 種情況對(duì)檢測荷載布置位置進(jìn)行追蹤，得到各個(gè)情況下檢測荷載的布置位置，分別見圖4 ～圖9。

圖4 左拱腳軸力最大時(shí)檢測荷載布置圖

圖6 右拱腳軸力最大時(shí)檢測荷載布置圖

圖7 右拱腳軸力最小時(shí)檢測荷載布置圖

圖8 拱頂彎矩最大時(shí)檢測荷載布置圖

圖9 拱頂彎矩最小時(shí)檢測荷載布置圖

針對(duì)空間有限元模型［7］，追蹤的單位編號(hào)如表1所示。

表1 對(duì)應(yīng)有限元模型單元位置

2．6 計(jì)算結(jié)果分析

按照上述6 種荷載布置形式，分為6 個(gè)工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，此處僅取中跨跨中拱肋截面上下緣的受力情況進(jìn)行分析計(jì)算。并且將理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)的承載能力變化情況和現(xiàn)有服役狀態(tài)，內(nèi)力理論計(jì)算及實(shí)測結(jié)果及二者對(duì)比情況如表2 所示。

表2 各工況下中跨拱肋主拱圈截面理論及實(shí)際效應(yīng)對(duì)比表

支座位移理論計(jì)算及實(shí)測結(jié)果和二者對(duì)比情況如表3 所示。

表3 支座位移理論計(jì)算及實(shí)測結(jié)果對(duì)比表

由結(jié)果可知，在6 種不同的工況下，通過對(duì)跨中拱肋軸力及應(yīng)力的計(jì)算得到的理論數(shù)據(jù)，與靜載試驗(yàn)得到的實(shí)測數(shù)據(jù)高度吻合，其誤差在±5%以內(nèi)，說明大橋運(yùn)營狀況良好，運(yùn)營期間各個(gè)構(gòu)件損傷較小，不需要進(jìn)行大的維修及加固［8－10］。

由結(jié)果又知，在6 種不同的工況下，支座位移理論計(jì)算值和實(shí)測值吻合也較好，其誤差也在±5%以內(nèi)［11－12］。

3 結(jié)論與建議

通過對(duì)背景橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，并且通過試驗(yàn)結(jié)果與理論值的對(duì)比分析可得如下結(jié)論：

1） 實(shí)測結(jié)果和理論結(jié)果的對(duì)比，實(shí)測結(jié)果和設(shè)計(jì)理論結(jié)果吻合較好，說明該橋梁運(yùn)營狀況良好。

2） 有限元程序的發(fā)展，使得基于荷載試驗(yàn)的橋梁評(píng)價(jià)變得十分方便，可以更容易得到結(jié)構(gòu)控制截面某內(nèi)力為極值時(shí)檢測荷載的布置形式，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場靜載試驗(yàn)的車輛布置形式，同時(shí)快速得出結(jié)構(gòu)的理論反應(yīng)數(shù)值并和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較。

荷載試驗(yàn)理論計(jì)算需要注意以下幾點(diǎn)：

1） 區(qū)別于設(shè)計(jì)，荷載試驗(yàn)都是靜載試驗(yàn)，所以在有限元程序計(jì)算時(shí)務(wù)必忽略沖擊系數(shù)的影響，否則理論計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大偏差。

2） 本文僅僅為了說明問題，僅對(duì)一個(gè)截面的結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算和比較，實(shí)際工作中，結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和截面按照實(shí)際情況，選擇越多越好，以降低人為因素引起的誤差甚至錯(cuò)誤。

3） 對(duì)一定服役期限的橋梁，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際運(yùn)營情況進(jìn)行某些系數(shù)的折減，比如預(yù)應(yīng)力的松弛，混凝土的老化等。

4） 參數(shù)的折減應(yīng)該結(jié)合結(jié)構(gòu)所處的實(shí)際位置以及實(shí)際服役期限進(jìn)行，必要時(shí)需要通過實(shí)驗(yàn)手段得到相關(guān)參數(shù)。