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桥梁荷载试验

2021-11-24

桥梁荷载试验

1 引言

荷载试验最基本的目的是了解桥梁结构的实际工作状态,检验桥梁结构整体的施工质量与受力性能,对桥梁结构的正常使用性能、强度、刚度、裂缝等各项指标做出全面的评价,并对桥梁结构的实际承载能力做出科学的评估,为桥梁交(竣)工验收提供重要的科学依据以及为桥梁的管养维护提供合理的建议。


进入“十三五”后国家更加注重桥梁的管理与养护,并且关于公路桥梁荷载试验方面的规范——《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)已于2016年4月1日正式实施。同时,关于城市桥梁荷载试验方面的规范——《城市桥梁检测与评定技术规范》(CJJ/T 233-2015)也于2016年5月1日正式施行。


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2 关于计算分析

桥梁结构的有限元建模根据计算分析的目的不同,建模的策略也不尽相同,得到的有限元模型也有较大差别。桥梁在设计阶段建立的有限元模型相对实际结构而言简化较多且参数均是按照规范取值,计算分析的结果也偏保守,而桥梁在进行荷载试验时结构已是成桥状态,并且在结构自重与二期铺装等恒载作用下结构已经承受了很大的内力,故建模时须考虑结构初始单元内力的影响。此外,对于缆索承重体系桥梁来说,实际成桥索力值一般并不完全是设计值,故建模时应以实际成桥状态为基准;对于中小跨径桥梁来说,由于桥面铺装(尤其是现浇调平层)等二期恒载对实际结构的刚度有一定的贡献,对于二期恒载的刚度贡献在桥梁设计阶段是不建议考虑的,而荷载试验的有限元建模如果不加以考虑会造成理论计算结果“失真”,从而导致对结构承载能力的评价“误判”。

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大跨度桥梁结构的有限元建模根据计算分析的目的不同,建模的策略也不尽相同,得到的模型也有较大差别。以桥梁设计为目的的有限元分析只需建立比较简单的有限元模型,采用规范规定的物理参数和其他假定的参数,只要确保计算分析的结果趋于保守、偏于安全即可;以施工控制为目的的有限元模型建立,更加注重施工过程的模拟,通常会采用尽可能真实的参数(施工现场实际材料通过实测获得)用于计算,以反映施工的实际情况;而以荷载试验分析为目的的有限元模型建立,由于此时的桥梁结构已是成桥状态,在结构自重与二期铺装等恒载作用下,结构就已经承受了很大的内力,有限元模型的建立需予以考虑并正确模拟(尤其是对于大跨度缆索体系桥梁需考虑初始单元内力的影响),同时应在此基础上再进行设计活载效应分析。

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对于大跨度斜拉桥来说,恒载占了桥梁总荷载的绝大部分,斜拉桥成桥后恒载主要由斜拉索的初拉力承受,这决定了恒载对斜拉桥刚度有重要影响。此时桥梁在恒载和索力共同作用下处于平衡状态,平衡状态的位置称为初始平衡构型。就斜拉桥有限元模型而言,斜拉桥有限元模型的初始平衡构型决定着模型的初始内力状态,显然这个初始平衡位置是对斜拉桥进行其它一切计算(如活载计算、动力计算等)的初始位置。初始平衡构型指的是成桥状态时结构的构型,然而由于施工和设计不可避免地存在一些偏差,导致有限元模型的理论平衡构型与实际成桥状态的平衡构型存在差异,这个差异可以通过索力调整来模拟。索力调整实质上属于优化问题,优化的目标就是初始平衡构型,优化的过程就是设计成桥索力不断向实际成桥索力靠拢。由于索力很大程度上决定了桥面线形,当索力靠近实测索力时,有限元计算的桥面线形已接近实测线形。而斜拉索相当于斜拉桥主梁的弹性支撑,斜拉桥桥面系的刚度相对于斜拉索而言是很小的,即有限元模型中桥面系的刚度对初始平衡构型时的索力影响是很小的,因此在索力优化后,通过适当调整桥面系质量参数,使桥面线形更加逼近实测线形。


3 这还真是个技术活

桥梁现场荷载试验是一项复杂的、系统的工程,有效组织与合理安排是保证试验顺利进行的关键。试验组织者不仅应熟悉荷载试验流程,同时还应具备相关专业知识及组织协调能力,对试验的各个环节精心安排,认真做好各项应对措施,确保试验顺利实施并达到预期目的。荷载试验一般可分为试验准备、现场实施和试验结果分析等三个阶段。


桥梁荷载试验的对象是桥梁这种大型土木工程结构,其造价高昂、社会影响大,试验方案与实施过程必须遵循科学、严谨、安全的原则,对试验方案应反复推敲,对试验过程应做到实时监测、及时反馈,发现问题及时处理,必要时终止加载。在国内曾发生过荷载试验过程中桥梁突然垮塌的事故。

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因此,试验前应做好所有参加人员的组织与协调工作,根据试验规模及工作需要,合理组织安排人员,做到分工明确、沟通快捷。为保障桥梁结构的安全,在试验过程中应严格执行分级加载,按照既定的加载测读原则与相应终止条件进行加载。


4 抛砖引玉

荷载效率系数ηq是表征试验荷载与设计荷载作用下结构的力学响应的关系。然而,目前荷载效率系数的取值能够依据的规范共有:《大跨径混凝土桥梁的试验方法》(YC4-4/1978)(主要针对新桥交(竣)工验收的荷载试验,0.8≤ηq≤1.05)、《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)(主要针对既有桥梁的荷载试验,0.95≤ηq≤1.05)、《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)(对于验收性荷载试验,0.85≤ηq≤1.05;对于鉴定性荷载试验,0.95≤ηq≤1.05)以及《城市桥梁检测与评定技术规范》(CJJ/T 233-2015)(ηq取值同上)。上述4种《规范》主要是针对当时中小跨径桥梁荷载试验来制定的,因为对于跨径较小的桥梁来说,荷载效率系数ηq取值较大是保证试验准确性的必要措施。当桥梁跨径较小时,若荷载效率系数ηq取较小值,试验所测的试验数据(应变、挠度等)均较小,受试验误差影响也就越明显。但是,近年来随着桥梁设计理论、材料强度及施工工艺的不断提高,桥梁的跨径也在不断增大。对于大跨径桥梁来说,采用针对中小跨径桥梁规定的荷载效率系数的取值范围是不恰当的,有时也是难以实现的,特别是大跨径斜拉桥、悬索桥结构的荷载试验,某些控制截面的荷载效率很难达到0.95以上,甚至0.85以上,如宜昌大桥成桥荷载试验时,主缆索力的荷载效率系数取值仅为0.4左右,而若要使其达到《规范》要求的荷载效率,所需加载车数量非常之多,如珠江黄埔大桥主缆缆力的荷载试验工况所用加载车达到120辆。


此外,上述4种《规范》中对于不同的荷载试验目的,荷载效率取值范围是不相同的,不难看出,《规范》关于新建桥梁的ηq取值较既有桥梁而言偏低。但是,对于新建桥梁来说,桥梁结构基本没有损伤,为了更全面地评估桥梁的实际受力性能以及更加深入地了解新颖桥梁结构(采用新结构、新材料、新技术、新工艺等修建的桥梁)的受力特点(材料性能、力学响应、设计计算理论与力学模式等),需要更高的荷载效率以更加接近桥梁的设计荷载;对于既有桥梁而言,桥梁结构在运营过程中已经存在诸多损伤(如结构性裂缝、混凝土剥落、钢筋锈胀、火灾、地震等),若采用较高的荷载效率ηq,将会存在一定的安全隐患(如给结构带来新的损伤、结构原有病害发展更快更大,甚至桥梁垮塌等)。


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