静载试验结合有限元分析的桥梁检测研究

李 鹏

(北京首创股份有限公司，北京 100028)



静载试验结合有限元分析的桥梁检测研究

李 鹏

(北京首创股份有限公司，北京 100028)

介绍了桥梁检测的主要内容和方法，以某空腹式石拱桥为例，采用静载试验结合有限元分析法，检测了桥梁的变形及内力分布情况，有效反映了该桥的实际状态，为桥梁检测提供了一种较为简便的方法。

桥梁检测，静载试验，有限元分析，承载力

0 引言

随着中国公路、铁路交通的发展，桥梁建设速度越来越快，桥梁数量也越来越多。据统计，截止2014年，全国公路桥梁75.71万座、4 257.89万m[1]。随着桥梁建成时间的增长，桥梁设计、施工规范均发生了变化，桥梁结构本身也因为种种原因较建成时发生了变化，从而导致部分已建成桥梁(尤其是建成时间较长的桥梁)不满足现行规范要求，需进行加固或者拆除。为了明确已建成桥梁是否符合现行规范要求，需要对桥梁进行检测。随着近年来有限元软件的发展，为桥梁检测提供了一种较为简便的方法。

1 桥梁检测的方法

1.1 桥梁检测的主要内容

桥梁检测时，应先对桥梁各构件进行评定，然后对桥梁各部件进行评定，再对桥面系、上部结构和下部结构分别进行评定，最后进行桥梁总体技术状况的评定[2]。桥梁检测主要包括以下内容：

1)外观检查：桥梁各构件混凝土脱落、漏筋空洞、机械损伤、裂缝检查、尺寸复核。2)材料强度检测：混凝土强度、混凝土碳化深度、钢筋强度、配筋率检测。3)承载能力验算：地基承载力验算、承载力极限状态验算、正常使用极限状态验算。

1.2 桥梁检测方法

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，对桥梁加载最不利的汽车荷载，测量加载后桥梁主要控制点的位移、应变。通过有限元软件计算加载后桥梁结构的变形、内力，根据规范的要求验算桥梁结构承载力极限状态及正常使用极限状态，结合试验测得数据对桥梁进行分析，最终得出桥梁是否满足规范要求的结论。

2 桥梁检测实例

某空腹式石拱桥建成于20世纪80年代，全长67.5 m，主拱净跨40 m，桥面宽度7.6 m，为板肋拱空腹式石拱桥。其建成运行近20年，为掌握该桥目前的真实工作状态，有必要对该桥进行检测，以便提出合理的加固改造方案，保证桥梁运营的可靠性。

2.1 外观检查

1)主体受力结构。采用裂缝观测仪对主体受力结构进行普查，发现腹拱圈处存在裂缝。2)桥面系。桥两端以外桥面损伤严重，存在裂缝。两拱脚处的护栏连接处断裂。桥面两边排水管堵塞，加之桥面存在较宽裂缝，导致桥面渗水，腐蚀桥体，桥面已有较严重变形。3)桥头挡墙与锥坡。一侧桥头外侧锥坡完全塌毁，其他锥坡也有部分塌毁。4)桥梁主要构件截面尺寸复核。实测桥面宽度、主拱圈截面尺寸(包括主拱圈宽度、厚度)、腹拱及墩墙截面尺寸等主要截面尺寸与设计符合较好。5)桥梁主体结构体形与变形复核。主拱圈线形实测值与设计值基本符合，无明显变形。桥体侧向变形较小，在规范允许的范围内。

2.2 桥梁主体结构的材料强度检测

采用回弹与取芯方法对主材的强度和弹模进行测定，测定范围包括主拱、腹拱、桥台和墩墙。

综合回弹与取芯强度试验，可取石砌块强度为MU50，砂浆强度代表值为M15，根据《公路圬工桥涵设计规范》取目前石砌体强度设计值为6.032 MPa，取弹模为22 GPa。

2.3 静载试验

1)试验荷载及加载工况。静载试验加载车辆由4辆装载车组成，每辆车的前轴重为5 t，后轴重为15 t，轴距4.2 m，轮距1.8 m。试验荷载采用等效荷载法确定，采用有限元软件MIDAS/CIVIL计算在设计荷载作用下的各控制截面的最大设计弯矩，按影响线采用等效加载方式确定实际加载车辆数及其平面布置。并保证荷载效率系数满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中规定的0.8～1.0的要求。考虑该桥实际使用荷载特点，选择了5种荷载工况进行静载试验，静载试验工况分别为支座加载、1/4跨加载、跨中加载、3/4跨加载、支座加载。试验中的加载程序采用分级加载和卸载，每次加载完毕，3 min后开始采集数据。

2)测试方法与测点布置。挠度测点：顺桥一侧在主拱圈两端支座处、1/4跨处、跨中、3/4跨处布置5个测点，均用全站仪进行量测。应变测点：应变测点布置在主拱的跨中截面、1/4跨截面、3/4跨截面和拱脚截面的板拱上表面，并在对应主拱1/4跨截面位置的腹拱下表面布置纵向应变测点，用振弦式应变计测试，相应的应变仪采集，共10个测点。

2.4 有限元分析

采用有限元软件MIDAS/CIVIL建立该桥的空间有限元分析模型。

MIDAS软件中有限元的基本假设如下：1)应变平截面假设。2)材料本构关系的线弹性假设。3)不考虑材料开裂后的影响。4)主拱和腹拱的自重以均布荷载的形式加在各自的梁单元上；桥面铺装和拱顶填料都以均布荷载的形式加在主拱和腹拱拱顶的梁单元上；腹拱填充以梯形荷载的形式加在主拱和腹拱拱顶的梁单元上；车辆以集中力的形式加于桥面，以此来计算拱桥的受力特性。

2.4.1 挠度结果比较

表1 各测点挠度实测值与计算值的比较(向上为正) mm

从表1对该桥挠度实测结果与计算结果比较可以得出：

1)实测与计算的变形趋势的吻合较好，表明该次试验测试结果是可信的、有效的。2)各控制截面的计算挠度略大于实测挠度值，表明该桥的实际刚度大于理论计算所取的刚度。3)在各种工况作用下，各控制截面的绝大部分计算挠度与实测挠度比值在0.7～1.05之间，满足《试验方法》中有关规定。个别不满足《试验方法》中有关规定是由于测试的误差所致。4)从各种工况卸载后的残余挠度可见，卸载后的残余挠度较小，该桥具有较好的变形恢复能力。

在自重与车载作用下，实测挠度与计算挠度在一个桥跨范围内的最大正负挠度的绝对值之和小于《桥规》允许挠度L/1 000=40 mm，表明该桥目前仍具有足够的抗弯刚度。

2.4.2 应力比较

根据在汽车荷载作用下实测各控制截面的应变增量Δε，可计算出汽车荷载作用下各控制截面的实测应力的增量Δσ，其计算公式为Δσ=E·Δε。其中，E为石砌体的折算模量，取E=53.5 GPa。

表2 各测点应力实测值与计算值的比较 MPa

从表2中该桥应变的实测结果与计算结果比较可以得出：1)实测应力与计算值吻合较好，表明该桥的实际工作状态仍与计算模型的状态接近。2)从各种工况作用下的应力云图可以看出，该桥在各种不利荷载作用下，拱脚处应力较大，为2.66 MPa,仍远小于目前石砌体的实测抗压强度设计值60.4 MPa，说明该桥主体结构的承载力是足够的，并有足够的安全储备。

2.4.3 裂缝

在荷载工况5车辆作用时，重点测试了腹拱拱脚处贯穿的剪切裂缝的宽度增量Δw的变化情况。

2.4.4 桥台

荷载试验对桥台的沉降变形进行了观测，试验发现桥台的沉降变形非常小。

2.5 结论

1)桥梁主体结构没有明显缺陷、破损、风化现象，结构的主材砌体基本完好，材料强度与竣工时没有明显差异。主体结构没有出现超过规范允许的竖向、侧向变形。2)荷载试验与有限元分析表明，该桥主体结构的承载力和刚度能满足汽—Ⅱ级荷载通行的需求，并有一定的安全裕度。因此认为该桥主体结构是安全的。3)现存缺陷应进行相应加固。

3 结语

通过实际应用，静载试验结合有限元软件分析用于桥梁结构检测可以较好的反映出已建桥梁的实际状态，可以判断已建桥梁各项指标是否符合现行规范标准。

[1] 中华人民共和国交通运输部.2014年交通运输行业发展统计公报[Z].2014.

[2] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] JTG/T H21—2011，公路桥梁技术状况评定标准[S].

[4] JTG D61—2005，公路圬工桥涵设计规范[S].

[5] YC4—4—1978，大跨径混凝土桥梁的试验方法[Z].

[6] 余志武.混凝土结构设计基本原理[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[7] 张俊平.桥梁检测[M].北京：人民交通出版社，2012.

Study on bridge detection of static load test combining with finite element analysis

Li Peng

(BeijingShouchuangCo.,Ltd,Beijing100028,China)

The thesis introduces major bridge detection contents and methods. Taking the hollow-stomach-style stone arch bridge as an example, applying static load test combining with finite element analysis method, it detects the bridge deformation and internal force distribution conditions, and effectively reflects the actual bridge conditions, which has provided rather simple method for bridge detection.

bridge detection, static load test, finite element analysis, bearing capacity

1009-6825(2016)13-0184-02

2016-02-23

李 鹏(1983- )，男，工程师

U441

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