静载试验中梁桥的偏载系数分析

静载试验中梁桥的偏载系数分析

范晶峰

江门市交通建设中心试验室有限公司广东江门529000

摘要：为了分析连续梁桥静载试验中的偏心荷载对箱梁纵向应力的影响，基于某实桥梁静载试验，利用大型通用计算软件Ansys计算跨中截面对称荷载及偏载下横向的应力分布，分析了单箱单室箱梁在偏载作用下的偏载增大系数，并与经验法、偏心受压法所得理论值进行对比，为今后的同类工程提供参考。

关键词：静载试验；偏载增大系数；应力

Analysisofpartialloadcoefficientofbeambridgeinstaticloadtest

FanJingFeng

（JiangmenCityTrafficConstructionCenterLaboratoryLimitedGuangdongJiangmen529，000）

AbstractInordertoanalysiseffectofeccentricloaduponthelongitudinalstressofthecontinuousgirderbridgeinstatictest，arealbridgebasedonstatictest，usinglargegeneralsoftwareAnsysusedtocalculatethetransversestressdistributionofcross-sectionundersymmetricalloadandpartialload，andanalysethepartialloadcoefficientofsinglecellboxgirderundereccentricloads，andcomparedwiththeempiricalmethod，thetheoreticalvalueofeccentriccompressionmethod，provideareferenceforfuturesimilarprojects.

KeywordsStaticloadtest，Partialloadenlargementcoefficient，Stress

1引言

桥梁静载试验是指根据桥梁的结构特性，用测试的方法了解结构在试验荷载作用下实际的应力、挠度等参数，进而科学得对结构的刚度进行评价，同时也为评价工程施工质量，设计的可靠性及合理性及竣工鉴定提供可靠依据。

预应力混凝土连续箱梁桥是国内普遍使用的桥型，而在箱梁静载试验中，不仅需要考虑截面抗弯能力，也需要考虑箱梁抗扭能力。在偏载作用下，箱梁内正应力主要由平面弯矩应力及扭转畸变引起的正应力，其中扭转引起的应力计算较为复杂，常规的杆系模型无法对其进行计算，国内普遍解决的方法为在杆系模型计算结果上考虑偏载增大系数，进而求出箱梁的在偏载作用下效应值。

本文采用通用计算软件Ansys建立半桥实体模型，求出偏载作用下结构应力值，对比分析常用的经验系数法与修正的偏心受压法计算所得数值，指出较为合理的计算方法，为今后同类工程提供参考。

2工程实例

2.1工程背景

以某预应力混凝土单箱单室箱梁作为研究对象，该桥跨径组合为（4x27）m，桥梁标准横断面见图1，设计荷载采用公路-I级。

图1桥梁横断面（单位：mm）

Fig.1Crosssection

静载试验根据设计荷载的要求，利用计算软件求出桥梁正、负弯矩最不利截面，桥梁结构布置见图2，正弯矩截面测点布置见图3。

结构布置图中，四个测量截面自左向右依次为S1~S4断面；测点布置图中，测点自左向右从1至7进行编号。根据计算软件可确定各个截面的荷载效应值及加载效率见表1。

静载试验采用等效加载原则，车辆位置按Midas软件计算影响线进行布设，布载控制依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》所规定的荷载效率η，其定义为：

（1）

其中Ss为静力试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或应力；S’为检算荷载产生的同一加载控制截面内力或应力；μ为按规范选取的冲击系数值。

可以看出，静力荷载试验所定方案荷载效率值均在0.95~1.05之间，满足规范要求。

2.2计算结果

本文着重考虑偏载作用下实际应力值与理论应力值的差别，在负弯矩工况下，截面距离支座较近，箱梁扭转畸变引起的正应力很小，因此只考虑正弯矩工况（S1及S3断面）下截面各测点的应力值。目前常用的有经验法及修正的偏心受压法，经验值法一般是在杆系模型求得的数据基础上乘以经验系数，偏载侧一般取值1.15，中间测点取1.0，另一侧取值0.85；修正的偏心受压法则是建立于预应力混凝土箱型梁截面本身抗扭刚度较大，从简化计算得目的出发，将箱梁的腹板近似的看做用刚性横梁连接的T梁，偏载时横向分布系数可由以下公式推出：

采用偏心受压法求处活载内力增大系数，可求出偏载作用下应力理论计算值。

注：其中S1-3表示S1工况下横截面测点3的正应力值。

3实体单元模型

空间有限元法可以较好地模拟出桥梁在偏心荷载作用下桥梁实际应力分布情况，由先前在杆系模型中建立的模型已求得结构的荷载效率、最不利荷载的位置和最不利法向应力，并求出纵桥向、横桥向车辆荷载的最不利加载位置，将车辆荷载加至实体单元中计算。

图4荷载车加载示意图（单位：m）

Fig.4Loadingdiagramofloadtruck

图51/2有限元模型图（单位：m）

Fig.5Halfoffiniteelementmodeldiagram

图6S1及S3截面应力云图

混凝土作为一种非均质材料，影响其力学特性的因素很多，在大型有限元软件ANSYS中，Solid65单元为三维八节点体单元，常被用来模拟钢筋混凝土和岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均质材料，本文采用Solid65六面体单元模拟混凝土。全预应力混凝土桥梁在运营过程中截面不会出现拉应力，钢筋对截面的刚度影响较小，建模中忽略其影响，模型如图5。

图6为S1、S3工况下截面应力云图，按照由Midas计算出的车辆位置进行加载，车辆偏载在左侧，S1截面应力极值为2.36Mpa，S3截面应力极值为2.18Mpa。可知左边底板正应力较大，符合理论推理。

4偏载系数对比

图6为根据实体模型计算得到的结果对比经验法、偏心受压法的计算结果。

图6底板应力分布图（单位：m）

Fig.6Stressdistributiondiagram

根据图6可知，经验法及偏心受压法计算所得数值均不能实际拟合箱梁底板应力，综合经验法及修正的偏心受压法可得，偏载侧正应力将偏大，远端（偏载另一侧）也较底板中央应力值偏大，偏心受压法较经验法值更加符合底板实际受力。

5结论

预应力混凝土箱梁为空间结构，在结构设计中，杆系模型仅能模拟正载作用下结构应力数值，在偏载作用下由于箱梁产生的扭转正应力及畸变应力，将会导致底板应力不均衡分布。通过上述分析可以得看出，左侧受压的箱梁，箱梁底板应力沿“U形”分布，箱梁底板靠近右侧应力出现最小值，偏心受压法能较好的反应结构在偏载作用下的受力情况，推荐在日后的工程实践中使用。

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