不同力学模型下桥梁静力荷载试验实例分析

■黄叹生

（厦门合诚工程检测有限公司，厦门 361000）

随着桥梁服役时间的增长，近年来在役桥梁的静力效应也备关注。 桥梁结构随着时间的推移，其材料耐久性和结构承载能力退化程度成为桥梁管养单位不得不重视的问题。 在现行桥梁检测标准中，主要通过建立桥梁静力荷载试验模型进行有限元分析，结合采集静力荷载试验作用下的桥梁变位及变形数据， 评价其是否满足目标荷载的要求，进而将检测与分析结果作为该桥今后运营和管理、检修的参考。 在不同检测机构、不同工程师开展评估工作时， 所使用的桥梁力学模型并不完全一样，这就使得同一座桥可能出现的评估结果略有不同。 本研究利用MIDASCIVIL 和SAP2000 两个分析软件，分别对目标桥梁开展不同力学模型下静力荷载试验的分析、比较。

1 静载试验原理简介

静载试验主要通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下各控制截面的内力、 应力及结构变位，从而检验桥梁实际工作状态是否满足规范要求。

（1）静载试验的控制截面根据可通过以下原则进行确定：①根据计算分析结果，选取活载作用下内力、应力、反力及结构变形较大的部位作为控制截面； ②根据构件的构造选取局部测试控制部位；③根据外观检测结果，将技术状况较差的截面作为辅助控制位置。

（2）静力荷载作用的按照如下方法确定：①对控制截面施加静力荷载的大小根据设计荷载产生的静力效应等效确定；②通常车行桥梁采用双后轴车辆作为试验加载车辆进行静力荷载试验；③根据CJJ/T 233-2015 《城市桥梁检测与评定技术规范》[1]规定的要求，静力试验荷载可按控制内力、应力或变位等效原则确定，并按下式所确定的原则等效换算而得：

④试验分析时，根据试验需求，对目标桥跨建立MIDASCIVIL 或SAP2000 结构理论计算模型，计算最不利和典型截面或构件在设计荷载作用下的内力或变形响应，以确定测试控制截面和试验荷载提供依据。

（3）测试内容的确定应该满足如下要求：①应测试试验作用下结构变位、变形、裂缝变化的情况；②测点的布置应该遵循左右对称、上下兼顾、重点突出的原则，充分反应结构各个方向变化，且不宜过多；③试验分析时，计算各工况试验荷载作用下控制截面各测点的应变、内力和变形值，供测试过程试验人员作为参考、比较、分析。

2 工程实例介绍

本次选择的厦门BRT 专用车道高架桥梁群中的第41 联作为分析对象(图1)。该桥跨属于区间桥，孔跨布置为（30+30+30）m，联长90 m，桥宽10 m，横断面布置为0.5 m（防撞墙）+0.5 m（路缘带）+3.75 m（行车道）+0.5 m（双黄线）+3.75 m（车行道）+0.5 m（路缘带）+0.5 m（防撞墙）=10 m。 桥面铺装：6 cm C50 防水混凝土调坡层+10 cm 沥青砼面层。桥梁上部结构采用分节段预制拼装、先简支后结构连续的三跨预应力砼连续箱梁结构体系，预制箱梁混凝土采用C50。 箱梁截面采用箱型断面，单箱单室结构， 梁高1.8 m。 标准的主梁预制顶宽均为9.8 m，底宽4.45 m，翼缘板挑臂长2.0 m；顶板厚28 cm、底板厚度为25 cm，腹板采用斜腹板，跨中腹板厚度为40 cm，支点处腹板厚60 cm。 翼缘板端部厚18 cm，与腹板交接处加厚到45 cm。 计算荷载：轻轨荷载（直线电机B 型车荷载），设计行车速度：60 km/h。 支座：采用抗震型盆式橡胶支座。

图1 厦门市BRT 第41 联高架桥平面布置图

3 测试跨选择

根据JTG/T J21-01-2015 《公路桥梁荷载试验规程》[2]，桥梁试验孔应选择受力性能具有代表性的位置，即结构受力最不利、技术状况较差、损伤缺陷突出。 故而开展本次测试前，对该桥进行全面表观缺陷检测。

表观质量缺陷检测， 主要根据GB/T 50784-2013《混凝土结构现场检测技术标准》[3]开展，通过目测结合仪器的方式，检测目标桥梁结构混凝土表观质量情况。

本次检测发现桥面沥青铺装层存在轻微磨损，伸缩缝存在堵塞、钢构件锈蚀现象，锚固区混凝土纵向开裂桥面泄水孔存在堵塞， 水篦子缺失现象，防撞护栏砼竖向开裂，声屏障钢构件轻微锈蚀。 第一跨梁底存在泛碱析白和混凝土破损现象，第二跨存在2 条裂缝， 缝宽均超过规范允许的裂缝最大宽度允许值（0.2 mm）[4]，第三跨出现多出泛碱析白现象，结合本桥为3 跨等跨对称结构，综合考虑， 选择第二跨和第三跨作为本次静力荷载试验跨。

4 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil 和SAP2000 通用软件建立该桥空间有限元模型，分别见图2、图3。 模型中主梁皆用梁单元模拟，主梁支座类型为盆式钢支座，模型中边跨支座处主梁约束竖向、横桥向的平动自由度和面外转动自由度。 材料、尺寸等参数依据桥梁竣工图纸所提供数据进行，材料强度、保护层厚度及钢筋锈蚀状况，在开展损伤较严重桥梁检测评估时，应进行检测，后根据测试结果与原设计进行比较、修约，并在模型中加以修正。 模型计算时，静力荷载采用设计城市-B 级荷载进行， 荷载排列情况根据《城市桥梁设计规范》执行。

图2 MIDAS/Civil 有限元模型

图3 SAP2000 计算模型

汽车荷载冲击力为汽车荷载标准值乘以冲击系数， 桥梁静力荷载在考虑汽车荷载冲击力时，是根据理论冲击系数进行修正，桥梁理论冲击系数的计算方法参考《公路桥涵设计通用规范》。 本项目通过计算，桥梁一阶频率，即基频为3.48 Hz，按照桥梁频率及冲击系数的换算方法， 频率不小于1.5 Hz，且不大于14 Hz 时，冲击系数取（0.167lnf-0.0157），即0.19。

5 静载试验分析

5.1 试验断面及工况

根据多跨连续梁桥的受力特点， 按最不利原则，静载试验共布置3 个荷载工况，分别为边跨最大正弯矩工况、中跨最大正弯矩工况及支点最大负弯矩工况。 测试断面示意见图4，测试断面应变片、挠度布置方式见图5 （本项目重点研究不同力学模型的静力荷载试验实例分析， 裂缝观测即变化、判断，不受不同力学模型影响，故而本研究观测数据不考虑裂缝分布及变化情况分析）。

图4 静载试验断面示意图

图5 测试断面测点布置示意图

本次静力荷载试验在计算过程中的理论计算荷载等级按照城-B 等级计算， 静力荷载试验实际采用4 辆重约为380 kN 的三轴载重货车充当 （为节省篇幅，暂不列出车辆试验加载具体位置）。 表1列出了各工况在两种模型分析下的理论内力、试验内力以及试验效率。

表1 静力荷载试验效率比较

5.2 静载测试分析

本次试验过程中，按照荷载试验效率及加载车的实际情况，分三级加载，记录每级荷载作用下各测点的变化情况，本文重点分析满载作用下的各测点数值。 对静载试验中测量得到的应变和挠度数据进行处理分析后得到，两种力学模型各工况下断面应变校验系数平均值分别为0.61/0.62、0.70/0.64、0.64/0.63，最大应变相对残余值为15.38%；挠度校验系数平均值分别为0.63/0.67、0.68/0.70（负弯矩工况2 不测挠度）， 最大挠度相对残余值为10.86%。各工况应变、 挠度校验系数均满足CJJ/T233-2015《城市桥梁检测与评定技术规范》中所规定不大于1的要求，且相对残余均小于20%。 工况的典型应变、挠度测试结果见表2、3。

表2 典型应变测试结果

表3 典型挠度测试结果

根据测试分析结果可得到， 正弯矩作用下，两种力学模型的校验系数较为接近， 结果比较真实、有效；负弯矩作用下，两种力学模型的试验校验系数相差较大，一方面可能是负弯矩边界约束模拟与实际情况不完全一致导致，另一方面可能是负弯矩工况两种力学模型试验效率相差较大产生。

6 结论

（1）MIDAS 及SAP2000 在单箱双室连续梁结构模型中， 正弯矩工况试验效率均能满足规范0.95～1.05 的要求，且正弯矩工况试验作用下各测点校验系数在两种力学模型下较为相近，且均满足规范规定不大于1 的要求，说明其荷载试验能够反映桥跨结构在标准荷载作用下的受力性能。

（2）负弯矩工况试验效率在MIDAS 及SAP2000力学模型分析偏差20%，主要为两种力学模型中设计荷载作用下的负弯矩内力偏差较大，可能由于不同人员在不同模型中负弯矩处边界条件设置不同、单元划分大小不同等原因产生，在后续荷载试验开展不同模型的比较时，应注意边界条件、设计荷载标准、节点单元划分等的设置，确保其一致性。

（3）由于桥面较窄，车道较少，不同力学模型负弯矩工况内力有一定差距，在单箱双室连续梁的桥梁运营管理中，为充分反映桥跨结构负弯矩的受力性能，建议试验通过多种模型力学综合分析、相互验证。

（4）在单箱双室连续梁的桥梁运营管理中，由于在不同力学模型下，负弯矩结构内力容易产生较大偏差，建议加强对其养护与管养，切实开展负弯矩裂缝、剪切变形等巡养。