基于有限元模拟的 3×20m 曲线梁桥静载试验研究

纪文利，王海龙，王新刚*

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222； 2.东营港建设服务办公室， 山东 东营 257237）

基于有限元模拟的 3×20m 曲线梁桥静载试验研究

纪文利1，王海龙2，王新刚1*

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222； 2.东营港建设服务办公室， 山东 东营 257237）

为了使桥梁静载试验结果更加准确可靠，探索采用有限元软件 midas Civil对 3×20m 曲线梁桥静载试验进行仿真模拟，并在此基础上对静载试验方案进行了优化。试验结果表明，有限元模拟桥梁静载试验方法准确可靠，桥梁刚度和承载能力满足设计要求，并通过对试验结果与模拟结果及规范值的比较分析，对桥梁结构做出总体评价。

静载试验；曲线梁桥；有限元；校验系数

0 引言

桥梁静载试验是将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，测试桥梁结构在荷载作用下的静位移、静应变、裂缝等参数，进而推断桥梁结构在试验荷载作用下的工作性能及承载能力[1]。桥梁静载试验既要客观全面地评定结构的承载能力与使用性能，又要兼顾试验费用、试验时间的制约。本文结合天津港远航散货码头六经北路高架公路桥第十二联（3 × 20）m 曲线梁桥，探索采用有限元软件 midasCivil对桥梁静载试验进行仿真模拟，达到优化试验方案，提高试验效率的目的。

1 静载试验有限元模拟

1.1 工程概况

六经北路高架公路桥第十二联为 3×20m 曲线梁桥，该桥横向设计为4个车行道，车道布载形式采用中间 2 个车道通行 90 t特种车辆，两侧2个车道按公路-Ⅰ级荷载考虑。图 1为车道荷载横向布置示意图。

图1 车道荷载横向布置示意图Fig.1 Transversearrangementof the lane load

1.2 静载试验有限元模型的建立

根据第十二联的（3 × 20）m 曲线梁桥的实际尺寸建立有限元模型[2-3]，并按照设计汽车荷载加载模拟分析，图 2（a）、（b）为设计汽车荷载引起的弯矩包络图和剪力包络图。

图2 设计汽车荷载引起的内力Fig.2 The inner force caused by vehicle design load

2 静载试验方案的确定

2.1 静载试验的基本原则

1） 按照各控制截面内力等效的原则，仿真模拟各试验工况的实际加载车辆的数量和加载位置。

2） 静力试验荷载效率系数 η 不宜过小，否则不能反映出桥梁设计荷载下的工作性能，但也不宜过大，以防桥梁结构的损坏。实际荷载试验时，试验效率系数应控制在 0.95～1.05 之间[4]。

3） 为了获取结构响应与试验荷载变化之间的关系，以及防止结构意外损伤，试验采用分级加载的方式，共分3级加载，1级卸载。

4） 若在加载试验过程中发生下列情况之一，则立即终止加载试验：①主要控制测点应变普遍超过计算值并且达到或超过按规范安全条件反算的控制应变；②多数控制测点位移超过规范允许值；③结构裂缝的长度、缝宽急剧增加，新裂缝大量出现，缝宽超过允许值的裂缝大量增多；④结构由于加载发出异常声响。

2.2 静载试验控制截面及测点布置

根据有限元模拟分析所得到的弯矩及剪力包络图来确定的各控制截面位置如图3所示。

图3 静载试验控制截面位置示意图Fig.3 Controlsection locationsof the static load test

1-1～3-3 截面和 4-4 截面应变测点布置如图4 （a）、 （b） 所示，1-1 和 3-3 截面挠度测点布置如图 4 （c） 所示。

2.3 试验荷载及试验工况

静载试验加载车辆采用前轴重 15 t和后轴重75 t的 90 t载重汽车 6 辆，加载工况及测试内容如表1所列，工况一和工况三分别为做偏载加载和对称加载两种加载方式；工况二和工况四为只做对称加载方式。以工况一和工况二为例的加载工况车位布置如图5所示。

图4 测点布置示意图Fig.4 Arrangementofmonitoring points

表1 桥静载试验加载工况及测试内容Table 1 Loading conditionsand content of the bridge static load test

图5 加载车位布置示意图Fig.5 Arrangem ent of load carpor ts

2.4 荷载试验效率

静载试验效率如表2所示，满足规范要求。

表2 荷载试验效率系数计算表Table 2 Calculation table of the efficiency coefficien tsof load tests

3 静载试验实测结果及分析

静载试验结果在此仅列出和分析了工况一偏载加载和对称加载两种加载方式，其他工况试验结果与工况一类似。

3.1 应变测试结果分析

工况一控制截面的梁肋实测应变如图6所示，梁肋截面应变沿高度的分布呈线性，满足 JTG/T J21—2011《 公路桥梁承载能力检测评定规程 》关于“控制截面应变沿高度分布图符合平截面假定”的要求。

图6 梁肋实测应变Fig.6 Themeasured strain of beam and rib

工况一偏载加载、对称加载 1-1 控制截面应变校验系数及相对残余应变如表3所示。

表3 试验结果Tab le 3 Test resu lts

由表3可以得出：

1） 桥 梁 测 试 桥 跨 的 应 变 校 验 系 数 在 0.51 ～0.98 之间，符合《 公路桥梁承载能力检测评定规程》关于“校验系数不大于 1”的要求。

2） 桥梁测试桥跨的相对残余应变最大值为14%，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》关于“主要控制测点的相对残余应变不大于 20%”的要求。

3.2 变形测试结果分析

工况一控制截面位移校验系数和控制截面相对残余变位如表4和表5所示。

表4 位移校验系数Table4 Calibration coefficientof the displacement

表5 相对残余变位Table 5 The relatively residual deform ation

由表4和表5可以得出：

1） 测试桥跨的位移校验系 数介于 0.85～0.91之间，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》关于“校验系数不大于1”的要求；

2） 测试桥跨的相对残余变形最大值为 17%，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》关于“主要控制测点的相对残余变位不大于 20%”的要求。

3.3 静载试验结果

第十二联（3 × 20）m 曲线梁桥静载试验的主要技术参数、技术要求（试验规程及相关规范）及其评价如表6所列。

表6 静载试验主要技术参数Tab le 6 Themain technical parametersof the static load test

4 结语

静载试验结果表明：

1）（3 × 20）m 曲线梁桥的各测点实测数据分布与仿真计算较为吻合，校验系数满足试验规程要求，桥梁的实际状况要好于理论状况，相对残余应变或变位满足试验规程要求，桥梁符合弹性工作状态。

2） 桥梁的受力性能和正常使用状态承载力满足 2 个车道通行 90 t特种车辆和 2 个车道通行公路-I级的设计荷载等级要求，结构工作状况符合通车条件。

3）有限元模拟为静载试验提供了有力的理论依据，并据此优化了试验方案，提高了静载试验效率。

[1] 杜建华.公路与桥梁试验检测 [M].北京：中国电力出版社，2009. DU Jian-hua.Test and measure of highway and bridge[M].Beijing：China Electric Power Press，2009.

[2] 刘 美 兰.midas Civil在 桥 梁 结 构 分 析 中 的 应 用 [M]. 北 京：人民交通出版社，2012. LIU Mei-lan.The app lication ofmidas Civil in structural analysis of bridges[M].Beijing：China Communications Press，2012.

[3] 葛 俊 颖.桥 梁 工 程 软 件 midas Civil 使 用 指 南[M]. 北 京 ：人 民交通出版社，2013. GE Jun-ying.Usermanual of themidas Civil bridge engineering software[M].Beijing：China Communications Press，2013.

[4]JTG/T J21—2011，公路 桥 梁 承载能 力 检 测 评定 规 程[S]. JTG/T J21—2011，Specification for inspection and evaluation of load bearing capacity ofhighway bridges[S].

Static load test of 3×20m curve bridge based on finite elementmodeling

JIWen-li1,WANGHai-long2,WANGXin-gang1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;2.Construction ServicesOffice of Dongying Port,Dongying,Shandong257237,China）

In order tomake the bridge static load test resultmore accurate and reliable,we simulated the static loading testof 3 × 20m curve beam bridge by exploring finite elementmethod,and optimized the test scheme on this basis.The results show that,themethod of simulating the bridge static load test by finite element is accurate and reliable,the structural rigidity and bearing capacity satisfy the design requirements.A generalevaluation ofbridge structure ismade by the comparative analysis on the test results,the simulation resultsand the standard value.

static load test;curve bridge;finite element;calibration coefficient

U448.215；U446.1

A

2095-7874（2014）08-0030-04

10.7640/zggw js201408008

2014-03-24

2014-05-15

纪文利 （1979 — ），男，黑龙江双城人，工程师，土木工程专业。* 通讯作者：王新刚，E-mail： wxg58@126.com