芦州大桥结构安全设计的判定分析

吕少勇，刘永胜，吴秋兰

（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）

芦州大桥结构安全设计的判定分析

吕少勇，刘永胜，吴秋兰

（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）

结合静载试验和有限元仿真检验了宜春市芦州大桥工程的施工建设规范问题.首先对大桥的问题进行了描述并建立了有限元模型，其次描述了对静载试验的方案设计并进行试验，得到了各控制点的应力应变.通过试验值与理论值的比较并进行校验系数评定，结果表明大桥处于良好的弹性工作状况，桥梁受力正常，整体刚度满足设计要求.

铁路桥梁；静载试验；承载力；评定

随着交通的迅速发展，桥梁的承载能力要求也随之越来越高，国家对铁路桥的基础设施不断投入，铁路桥的发展也越来越快［1］.利用静载试验可以通过评定承载力后采取有必要的加固措施，能对桥梁结构的安全性设计进行评估以及能对桥梁结构的安全防护提供帮助［2］.芦洲大桥是位于宜春市内的一座铁路桥梁.桥梁中心里程K0+137.0处，该桥为预应力混凝土先简支后结构连续小箱梁桥.主梁横断面为小箱梁，桥跨布置为6×25 m，全桥为一联（6×25 m一联），全桥长157 m，桥面宽29.5，其中机动车道宽23 m，人行道宽3.25 m，双向共6车道，设计荷载为公路－I级，人群－3.5 kN/m2.利用静载试验对芦州大桥进行了承载力以及应变、应力等弹性状态的检验.首先通过ANSYS有限元软件对桥梁的受力情况进行了模拟得出了有限元解，其次根据技术资料的准备进行加载方案的设计以用来测点位置与测试，最后对试验结果分析与承载力评定.依据相关的规程，可知芦州大桥处于良好的弹性工作状况，桥梁受力正常，整体刚度满足设计要求［3-4］.

1 问题的描述及模型建立

桥梁中心里程K0+137.0处，该桥为预应力混凝土先简支后结构连续小箱梁桥.主梁横断面为小箱梁，桥跨布置为6×25 m，全桥为一联（6×25 m一联），全桥长157 m，桥面宽29.5 m，其中机动车道宽23 m，人行道宽3.25 m，双向共6车道，设计荷载为公路－I级，人群－3.5 kN/m2.全桥设有2道80型伸缩缝，全桥布置及主梁跨中截面见图1.

图1 芦洲大桥布置与横断面图

结合芦洲大桥的设计特点以及现场桥跨情况，拟选取靠袁山东路方向的第5和6跨作为静载试验的观测对象（见图1）.将应变计粘贴在主梁的梁底，挠度通过在桥面布置测点，用精密水准仪测量，具体布置详见图2.

图2 控制截面应变、挠度测点布置示意图（单位：m）

芦洲大桥为刚接小箱梁，不能简单地采用平面的计算模型来模拟其实际受力情况，本次桥梁试验结构理论分析采用空间实体单元进行模拟分析，有限元计算模型见图3.根据设计荷载，全桥使用阶段的内力分析计算采用北京迈达斯技术有限公司开发的“Midas Civil7.4.1”和同济大学开发的“桥梁博士3.0”互为计算分析和校核，主要是计算主梁在使用荷载、试验荷载作用下的最不利内力以及试验荷载效率系数.

图3 刚接板有限元模型

2 静载试验方案

2.1 加载方案

试验是按试验荷载效应与设计荷载效应等效的原则，并考虑到车辆来源、组织和调配的实际情况来确定试验荷载（采用移动加载）.最后确定试验荷载采用6辆约350 kN标准车，总吨位约为2 100 kN，静载效率系数保持在0.8～1.00之间.加载车车辆基本情况见图4.加载车辆相关技术参数为：L1=1.4 m，L2=3.8 m，轮距1.9 m，中后轴重为280 kN，前轴重70 kN，车辆总重350 kN.

根据《公路旧桥承载能力鉴定方法》中的规定，静载试验荷载一方面应保证结构的安全性，另一方面又应能充分暴露结构承载能力，一般：

图4 加载车示意图

式中：ηq——静试验荷载效率系数；

Sstat——试验荷作用下，检测部位最大变位或最不利内力的计算值；

S——设计标准荷载作用下，检测部位最大变位或最不利内力的计算值；

δ——设计取用的动力系数，经过计算为1.236.

根据分析计算，利用荷载等效使主梁达到规定的荷载效率系数，加载工况车辆布置根据详细计算确定，并在试验前进行一次预载.所有工况均按两次分级加载、一次卸载.加载过程中密切注意结构各控制点的应变和位移，如遇异常情况应立即终止加载.

2.2 测试方案

测试主要针对于3个方面内容进行：（1）应变测试：梁底跨中纵向应力采用电测法测试，在每片梁底粘贴1个电阻应变片，采用电阻应变采集仪测定砼结构的静应变（应力）值.（2）挠度测试：主梁跨中挠度和梁端支座沉降利用百分表测量位移，测试精度为0.01 mm.（3）裂缝监测：加载时，梁底派专人观测裂缝开展情况，如有裂缝开展，用裂缝放大镜量测裂缝宽度.

3 试验结果及分析讨论

3.1 试验结果

试验采用6台约350 kN的标准车对桥梁进行加载，共6种工况，每种工况分3级加载，部分加载工况见图5.由静载试验和有限元的理论解进行了对比可以得出结果.限于篇幅，本文只列出A-A跨最大正弯矩偏载加载工况的实测应变、挠度与理论计算值对比的条形统计图见图6和表2.B-B跨以及C-C跨还有支点C-C的数据记录都与A-A跨记录方法及内容相似.

图5 工况荷载布置图

表2 边跨跨内A-A截面最大正弯矩偏载加载工况作用下应变(με)

图6 边跨跨内A-A截面最大正弯矩偏载加载工况下的应力和挠度

3.2 安全性评定

实验测得各跨各截面实测最大挠度、应变值与相应理论值的比值（校验系数）、实测残余挠度、残余校验系数评定见表3和表4.

根据桥梁测试规范，校验系数小于1.05属于安全范围［5-6］.由表3和表4可知，在最大试验荷载作用下，试验桥跨主梁控制截面最大挠度和最大应力的校验系数均小于1.05，说明在试验荷载作用下桥梁处于弹性工作状态，实测挠度值、应变值与理论值相关性较好.

表3 试验桥跨在试验荷载作用下梁底最大应变值评定

表4 试验桥跨在试验荷载作用下梁底最大挠度值评定

4 结论

（1）本桥所有试验控制截面最大挠度和最大应力的校验系数均小于1.05，桥梁处于弹性工作状态，并且实测挠度值、应力值与理论值相关性较好.

（2）各控制荷载卸载后的结构相对残余应变均不大，同时控制截面变位随着荷载的增加基本上按比例增加，结构处于良好的弹性工作状态.

综上所述，测试数据表明大桥在设计静荷载作用下，结构处于安全工作状态，承载能力达到设计的要求.参考文献：

［1］李琳.2016年中国铁路计划投资8千亿元积极推动铁路“走出去”[J].城市轨道交通研究，2016（2）：64.

［2］曾彦.基于静载试验的桥梁结构性能评价[J].华北水利水电大学学报（自然科学学报），2013，34（4）：65-68.

［3］史艾嘉，许燕，孙明杰.桥梁静载试验分析[J].建筑技术开发，2014，41（2）：15-16.

［4］中华人民共和国铁道部.TB10002.3-2005.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

［5］中华人民共和国铁道部.TB/T2898-1998.铁路桥梁竖向挠度的评定与测量方法[S].北京：中国铁道出版社，1998.

［6］中华人民共和国铁道部.TB10415-1998.铁路桥涵工程质量检验评定标准[S].北京：中国铁道出版社，1998.

Research on the Judgment of Structural Safety Design of Luzhou Bridge

LV Shao-yong,LIU Yong-sheng,WU Qiu-lan
（School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,Jiangxi,China）

The static load test and finite element simulation are used to test the construction of the Yichun River Bridge project in this paper.First of all,the problem of the bridge is described and the finite element model is established.Secondly,the design and test of the static load test are described.By the comparison of the experimental value with the theoretical value,and the calibration coefficient evaluation,the results show that the bridge is in good working status,and the stress of the bridge is normal.

railway bridge；static load test；bearing capacity；evaluation

U24

A

1007-5348（2017）06-0049-05

（责任编辑：欧恺）

2017-03-11

江西省教育厅科技项目（GJJ160474）.

吕少勇（1990-），男，江西九江人，华东交通大学土木建筑学院硕士研究生；研究方向：建筑与土木工程.