朱小林

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)



高架连续梁桥的成桥静载试验分析

朱小林

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

为分析高架连续桥梁的成桥受力特性，基于ABAQUS有限元仿真计算平台对某预应力混凝土连续梁高架桥的成桥静载试验进行全桥三维仿真，并通过索模温降法来模拟预应力钢绞线对混凝土的预压作用，在此基础上对桥梁静载效应进行了数值计算。计算值对比成桥试验现场实测值，发现两者契合度较高。计算分析表明了采用索模温降法进行桥梁预应力效应计算仿真的有效性，对今后工程具有借鉴意义。关键词：后张预应力连续梁桥；成桥静载试验；索模温降法；数值仿真

0 引言

近年来，随着我国公路工程、市政交通的飞速发展，高架桥、互通跨线桥为城市交通的占地局限性提供了新的解决方案。在现阶段交通运输工程建设项目中，城市高架桥或互通跨线桥中选取较多的上部结构形式便是预应力混凝土连续箱梁[1-3]。随着社会经济和城市交通的快速发展，城市交通对桥梁的跨径、桥面宽度和承载能力的需求也在不断地增长，与此带来的桥梁的计算、分析理论和施工工艺也日趋复杂。同时随着以有限元理论为计算核心的大型有限元计算平台在桥梁工程中越来越被深入应用，桥梁工作者能借助多种计算机辅助工具而逐渐了解桥梁结构在施工阶段、成桥通车和后期维护等诸多阶段下的内力和应力分布形式，从而不断推动两者间的相互进步和合作[4-6]。

1 工程概况

选取某预应力混凝土连续梁高架桥为研究对象，根据现有大跨度混凝土桥梁荷载试验规范和相应技术方案的要求，对成桥静载试验下的桥梁结构效应进行检测和分析。

箱梁桥为四跨一联的箱梁桥，主梁结构形式为预应力混凝土现浇结构。每跨跨径均为30 m，桥面净宽16 m。上部结构采用双箱单室等宽等高箱梁，上部结构主梁标准截面示意图如图1所示。下部结构在第26#墩处设置有固定支座进行约束，与墩顶固结处理。其余桥墩位置处梁底均设有盆式橡胶支座与墩顶垫石连接并有效结合，从而形成良好的支承体系，支座均采用符合国标Ⅱ型标准的盆式橡胶支座。主梁混凝土设计标准抗压强度50 GPa。主梁设计铺装结构形式分为3层：上层为改性沥青混凝土，底层设为C40级防水混凝土层，中间结合面喷涂透层油。防撞护栏采用部颁通用图中的标准护栏结构形式，对应混泥土等级为C35。计算分析中不计入桥面铺装和护栏对主梁承载的影响，仅作主梁均布荷载计入。

主梁钢绞线为国标7股冷拉钢丝成束的标准钢绞线，单根钢绞线直径为15.2 mm。计算计入钢绞线松弛系数为1.03，对应计算面积取139 mm2，弹模参数E取195 GPa。预应力张拉时，设计张拉控制应力为1 395 GPa，张拉则以应力控制为主要控制原则，通过钢束张拉端伸长量实现辅助控制。其中，施工方根据设计文件要求，对主梁预应力进行超张拉后再回到初始张拉力锚固，从而减少预应力、摩阻力等损失，结构计算均按照张拉实际流程进行考虑。

根据规范《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)第4.1.6条中对结构承载力的相应条文要求[7]，桥梁结构设计采用符合可靠度指标的极限概率设计原则，对应结构承载力的状态可根据承载力极限状态和正常使用极限状态这2种不同的极限状态在概率的基础上进行相应的荷载效应叠加组合。而成桥静载试验中，通常采用正常使用极限状态的等效荷载组合来对结构进行静荷载加载。按照荷载试验的相应要求，加载前需要先根据各控制截面的荷载效应影响线，确定截面的最不利荷载情况。选取效应值最大的荷载作为成桥荷载试验中的主控荷载。由于加载车型、加载位置等诸多客观条件的限制，静载试验的加载形式很难与结构设计计算时所选取的荷载及加载形式完全一致，故在荷载试验中为保证所选取的荷载能全面地反应结构的抗荷能力和性能，常常在对应的设计荷载下以荷载效应等效的原则对荷载的形式和加载车的纵桥向、横桥向位置进行等效计算，从而确定试验所选取的荷载车和车队的组成。此时，以试验荷载效率系数η为转换依据，实现设计荷载、试验荷载的转换。效率系数的推导公式由式(1)确定。

(1)

式(1)中，η多在0.8与1.05之间取值[8]；Sstat为试验时被检测控制点内力、挠度或应力等效应的理论值；S为设计所选取的荷载作用在结构最不利效应位置的时候，被检测部位所发生的内力、挠度或应力等效应的理论值；δ为设计时所取的动力系数。根据式(1)及η的取值范围，可反算出Sstat，即可确定静载试验对应的加载车辆和车队参数。

2 静载试验

根据高架箱梁桥的设计说明等相应文件，设计车辆荷载为按照《港口工程荷载规范》(JTS 144-1-2010)局部修订所规定的荷载[9]，结合现场试验技术方案的相关条文要求，上部结构成桥试验所选取的荷载效率系数η取0.9。荷载的纵桥向和横桥向加载位置均由在荷载作用下依据控制断面计算最不利影响线峰值位置进行加载。高架箱梁桥设计时所选取的移动荷载分布形式如图2所示，现场试验实际等效选取的荷载分布形式如图3所示。

根据四跨连续梁桥的超静定结构在荷载作用下的变形特征和内力分布特点，综合考虑全联荷载试验的要求后，全联主梁布置了25个位移测点。全桥共布置了37个位移观测点，分别在每一跨的桥墩、盖梁跨中处相应布置了位移测点。在每个桥墩侧布置了沉降观测点，通过精密水准进行实时观测，以消除静载试验时因桥墩沉降对主梁挠度变形数据的影响。位移观测点位的布置如图4所示。针对此次现场试验，确定了多组工况下对应的荷载结合加载方案，由于篇幅有限，仅给出如图5所示的3种加载方案的试验结果。

图4 主梁全桥位移监测点布置图

3 数值计算

主梁在各种工况下的效应均通过ABAQUS有限元计算平台完成了数值仿真计算并进行校核。采用BEAM单元建立钢绞线空间有限元计算单元，采用3D-stress单元对混凝土梁进行划分。对于预应力筋对混凝土的截面增强效应，分析中我们通过索模温降法等效实际施工中的预应力张拉工况。

通过索模型杆单元在温度作用下线性形变的性质，改变杆单元的温度，从而实现对预应力筋张拉，即实现预应力的张拉施工工况。根据杆单元有限单元法计算理论，模型计算所需设置的温度变化值是计入降温收缩引起的收缩量与张拉钢束产生的伸长量相等的温降值，即满足公式(2)：

(2)

式(2)中，Δt为计算所需要施加的温降值；A为预应力钢束的计算截面面积；α为预应力筋的线膨胀系数；E为钢绞线的弹性模量;钢材的膨胀系数取1.25×10-5/℃。

4 结果分析

通过ABAQUS有限元计算平台对现场试验对应的工况进行了数值仿真计算，图6～图8给出了3种工况对应下的桥梁整体竖向挠度云图。根据工况1的计算结果，上部结构在受到偏心荷载工况下桥面最大竖向位移出现在加载跨对应偏心一侧，计算所得最大竖向挠度值为5.31 mm。工况2对应的荷载作用线通过主梁中心线，对应的最大挠度出现在加载跨径的跨中位置，最大竖向位移值为4.27 mm。工况3对应荷载工况下尾跨跨中位置发生最大挠度，效应值为5.84 mm。计算所得最大竖向位移值满足结构荷载试验规范中规定梁桥挠度的成桥试验要求。

上述3种工况对应的有限元数值计算结果均表明，桥梁预应力筋张拉后主梁跨中处出现了拱起现象。主梁成桥试验现场实测应力值与数值分析应力值见表1。表1给出了主梁成桥试验中现场所测的竖向挠度值，并与有限元数值分析中对应采集点结果进行对比，数值分析校核值与现场试验采集的结果十分契合。此外，数值分析中的起拱现象与试验结果中初始状态的主梁线型吻合。

图6 工况1作用时主梁变形 图7 工况2作用时主梁变形 图8 工况3作用时主梁变形

表1 主梁成桥试验现场实测应力值与数值分析应力值

5 结语

通过ABAQUS有限元分析软件对某预应力混凝土连续箱梁高架桥进行了对应成桥试验，完成了3种主要工况作用下的数值仿真分析；通过索模温降法模拟预应力钢束的张拉施工工况。结果表明：3种工况下的数值计算挠度值与现场实测值均满足成桥试验规范的要求；主梁在成桥加载前的起拱值满足公路桥规的起拱要求。通过将有限元分析结果与现场试验的位移观测结果进行对比分析，发现数值仿真计算值与现场实测值十分接近，并且有限元方法分析中桥梁的起拱与现场监测的结果一致，从而得出索模温降法可以有效模拟预应力钢绞线对主梁承载力的贡献作用，同时有限元方法对PSC连续箱梁桥成桥静载试验的校核验算具有较高的计算精度和可信度，对今后类似工程的运用具有较大的参考作用。

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[2] 卜志鹏.大跨度 CFST 系杆拱桥静动载试验分析研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2015,47(3):388-391.

[3] 蒋国俊，杨建明，易灵芝，等．水泥混凝土路面胀缝破坏的温度-荷载耦合分析研究[J].市政技术，2014，32(2)：22-25.

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[5] 秦红禧，何旭辉，欧阳永金.厦门市BRT高架桥梁总体设计与静动载试验研究[J].铁道标准设计，2011(2):59-64.

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[7] 中华人民共和国交通运输部.JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[8] 交通部公路科学研究所,交通部公路局技术处，交通路公路规划设计院.大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].北京：人民交通出版社，1982.

[9] 中华人民共和国交通运输部.JTS 144-1-2010港口工程荷载规范[S].北京：人民交通出版社，2010.

(责任编辑 吴鸿霞)

Bridge Static Load Test Analysis of Viaduct Continuous Girder Bridge

ZhuXiaolin

(Shanxi Traffic Science Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006)

In order to analyze the bridge’s mechanical force characteristics of the viaduct continuous bridge,a 3D simulation analysis has been done for the static load test of one prestressed concrete continuous beam bridge based on the finite element simulation platform of ABAQUS,and the prestressed steel strand’ precompression on concrete was simulated through the cable model temperature drop method,on the basis of which the numerical calculation was done for the static load effect of the bridge.The analysis results show that the calculated values highly fits the measured values of the bridge test site after making a comparison between them.The effectiveness of calculation and simulation of bridge prestress effect is analyzed by using the method of cable mode temperature drop in the calculation and analysis.The research results have provided reference for the future projects.

post tension prestressed continuous beam bridge;static load test;cable mode temperature drop method;numerical simulation

2016-05-31

朱小林，工程师，硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.011

TU378

A

2095-4565(2016)05-0052-04