宽跨比较大的在役斜梁桥工作性能分析

梁宇浩郭伟

摘 要：运营较久的桥梁，为评价它的承载能力和工作性能，静载试验是一种直观、行之有效的方法。根据广州市内某宽跨比较大的现役斜梁桥的结构特点，采用梁格法模拟该桥的荷载横向分布特性，结合试验结果，综合评价该桥的工作性能。

关键词：宽梁桥 静载试验 梁格法 工作性能

中图分类号：U446.1文献标识码：A

The Work State Analysis of Performing Wide Oblique Beam Bridge

LIANG Yu-hao 1 GUO Wei2

(1.Haizhu District Municipal Facilities Maintenance Management Center, Guangzhou 510220, P. R. China;

2.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, P. R. China)

Abstract: The long running bridge, in order to evaluate the bearing capacity and work performance, static load test is an intuitive, effective method. According to the structure characteristics of a wide oblique beam bridge in Guangzhou city, the grillage method is used to simulate the load transverse distribution properties. With the test result, we can evaluate the work performance of this bridge.

Keywords: wide beam bridge; static load test; grillage method; work performance

1 梁格法基本原理

梁格法就是用等效梁格代替桥梁上部结构, 将分布在板式的每一区段内的结构，其弯曲刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内, 实际结构的纵向刚度集中于纵向梁格构件内, 横向刚度集中于横向梁格构件内[1]。理想的刚度等效原则应该满足: 当原型实际结构和对应的等效梁格模型承受相同荷载时, 两者的挠曲将是相等的, 并且每一梁格内的弯矩、剪力和扭矩等于该梁格所代表的实际结构部分的内力。由于实际结构和梁格法模型的差异，这种等效模拟只是近似的，但在具体的工程中，这种等效模拟也具有足够的精度。

在梁格法中，荷载分配是以加载位置及单元间的相互刚度为依据的, 刚度与构件的截面特性、构件的连接关系有关, 因而梁格单元截面特性的正确计算和构件间连接关系的正确模拟是保证计算精度的关键。对于T形截面，其截面特性的计算可参照文献[2]。

其中，a、b、h的意义如下图所示：

图1：T梁示意图

2 工程概况

某斜交简支梁桥位于广州海珠区滨江东路马涌入珠江口。该桥于2001年1月建成，桥梁总长39m，斜交角为20°。设计跨径组合为13m+13m+13m。桥面总宽42m，其中人行道宽2×4.25m,车行道宽2×16m。上部结构为3跨简支T梁，主梁每跨25片，下部结构为浆砌片石桥台、钢筋混凝土多柱式墩，桥面采用沥青混凝土桥面铺装。该桥为城市主干道交通设置双向八车道，计算荷载考虑为城市A级。该桥的主要尺寸如下，见图2~3所示。

图2：某斜交简支梁桥立面布置图（单位：cm）

图3：该桥平面布置图（单位：cm）

3 静载试验

静载试验主要测试在基本试验荷载作用下，结构的工作性能，包括变形、应力（应变），并对裂缝进行观测。由于本桥的宽跨比42/13>0.5，属于宽桥[3]，即双向受力体系，横向联系相对较弱，为精确模拟它的受力性能，必须采用有限元梁格法[4]，以考虑荷载的横向分布特性。

采用有限元软件“MIDAS/CIVIL2006”进行模拟计算，由于本桥特殊的结构形式，在偏载作用下，4#梁受力为最不利。因此以4#梁跨中验算荷载城-A级作用下跨中正弯矩为M控=309.7KN•M，在试验荷载作用下，4#梁跨中实际最大正弯矩为M试=264.3KN•M，根据相关规范 [5]规定，基本荷载试验的荷载效率η为：

η=Sstat/(S•δ)（5）

应满足1.0≥η≥0.8

本次试验荷载效率η= =0.853，满足要求。

3.1 控制断面的选择

从上述分析可知：从一侧进行逐车道加载的工况下，当加载两车道时第四片梁最不利。在本桥宽跨比过大的且斜交的特殊桥梁结构形式下，作用在桥梁的荷载还是沿与纵梁正交方向传递，考虑跨中位置斜向横隔梁对荷载横向分配的影响，桥梁弯矩最大值略往钝角方向偏移，弯矩最大值为距离桥台侧支座5米处位置，根据现场情况以及病害情况，选择其中一边跨作为测试跨，测试断面见图4。

图4：鸭墩桥测试断面示意图(单位:cm)

3.2试验加载及测点布置

本次试验组织了重车4辆进行加载，各车重分别为：325.9KN、321.9KN、323.1KN和324.3KN。加载分三级，卸载分二级，共5个工况进行测试，

具体加载顺序为：

0KN→646.2KN→972.1KN→1295.2KN→646.2KN→0KN。

车辆布置方式见图5和图6所示。在图4中按照加载顺序先加载2车，即图中①所示车辆，然后加载至3车，即图中②所示车辆，最后满载加载至4车，即图中③所示，加载顺序为①→②→③。

图5 满载工况加载车平面布置图

图6 加载车横向布置图

挠度的测点按常规方式布置，考虑封路以及车流量过大等实际因素，静载挠度测点布置在偏载侧人行道位置处，沿跨径方向共布置5个测点即两支座、L/4处，L/2处和3L/4处。

应力应变的测点布置，通过计算得知，在加载车作用下，荷载仅作用下在周围的小范围区域的纵梁上，因此在控制断面处沿桥梁横向选择8片主梁共布置钢弦应变测点16个，见图7所示。

图7 鸭墩桥主梁测试断面应变测点布置示意图(单位:cm)

3.3 试验结果分析

在各级荷载作用下，试验跨实测挠度见表1。由表中可知，满载时，全桥最大挠度发生在跨中位置处，其值为-4.02mm，卸载后残余变形为-0.22mm，Sp/Stot=-0.22/-4.02=0.055。挠度基本随荷载按线性规律变化，卸载后基本恢复，残余变形较小，说明结构基本处于弹性阶段。

表1 挠度测试结果（单位：mm）

表中“-”表示下挠，“+”表示上挠。从上面分析可知，最大弹性挠度值为-3.80mm，理论计算值为-4.03mm，则：0.6

结构在各级荷载作用下的实测应变如表2所示，由表2可知满载时最不利梁4#梁底最大拉应变为-164.3με，卸载后残余应变为-10.5με，Sp/Stot=-10.5/-164.3=0.064，残余变形小说明结果可靠。

图8为4#梁底测点8、9和10满载时应变随梁高变化曲线，由图可知应变测点基本随梁高按线性变化符合平截面假定，说明结构处于弹性受力状态。

表2 测点在各级荷载作用下实测应变值（单位：με）

图8 4#梁底主要测点满载时应变随梁高变化曲线(单位：με)

4 结论

（1）通过静载试验可知：实测的控制点挠度和应变与荷载的关系曲线接近于直线，实测控制截面的应变沿高度变化曲线基本符合平截面假定，主要控制测点的相对残余挠度Sp/St值较小，最大挠度值与理论计算值比值均满足规范要求。

（2）由多片梁相互连接构成的简支梁桥，为精确模拟其荷载横向分布特性，可采用有限元梁格法分析。

（3）宽跨比较大的斜梁桥，移动荷载作用下的最大正弯矩偏向于钝角方向，静载试验时应注意该控制截面的选取。

参考文献

[1]王富万,杨文兵.梁格法在桥梁上部结构分析中的应用[J].华中科技大学学报,2006,23(1):80-82.

[2]戴公连,李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]罗旗帜等.桥梁工程[M].广州:华南理工大学出版社,2006.

[4]李克银.连续梁桥荷载试验梁格法分析[J].铁道工程学报,2011,153(6):25-29.

[5]大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].交通部,1982.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。