鄔曉光, 劉 英, 賀 攀, 李藝林(長安大學(xué) 陜西省橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064)

連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)合理取值

鄔曉光, 劉 英, 賀 攀, 李藝林
(長安大學(xué) 陜西省橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064)

依托8座載荷試驗(yàn)橋梁,針對連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)的合理取值問題,通過有限元計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值對比,分析了偏載系數(shù)的全橋分布規(guī)律,確定出連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)捒绫群透呖绫葹槠d系數(shù)的主要控制因素,提出了偏載系數(shù)計(jì)算公式,并將有限元解和公式計(jì)算值進(jìn)行對比,驗(yàn)證了公式精度在±5%范圍內(nèi).

連續(xù)剛構(gòu)橋; 載荷試驗(yàn); 寬跨比; 高跨比; 偏載系數(shù)

連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用變截面單箱單室或單箱多室混凝土箱梁,由于箱梁截面是一個(gè)整體,不能像裝配式空心板、T梁、小箱梁簡單地根據(jù)橫向分布影響線分配載荷[1].在偏心載荷作用下,箱梁的空間受力比較復(fù)雜,實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,通常引入偏載系數(shù)對平面桿系計(jì)算值進(jìn)行修正,以考慮箱梁的偏載效應(yīng).偏載系數(shù)可以定義為梁體某個(gè)位置在偏載作用下得到梁體的最大效應(yīng)與對應(yīng)的橫向各個(gè)位置效應(yīng)的平均值之比[2-3],其計(jì)算方法有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、偏心壓力法、修正的偏心壓力法等.現(xiàn)有研究大多集中于對比分析幾種常用計(jì)算方法的精度,且均為理論分析[3-7],少有結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)的對比分析,缺乏實(shí)例驗(yàn)證;文獻(xiàn)[8]在常規(guī)跨度布置及截面尺寸情況下,分析得到了連續(xù)梁橋偏載系數(shù)建議值及其分布規(guī)律,但僅僅局限于特定的橋梁,通用性和可操作性有限;文獻(xiàn)[9-11]研究了橋梁寬跨比對偏載系數(shù)的敏感程度,但僅分析了等截面等跨度連續(xù)箱梁偏載系數(shù),對于變截面不等跨連續(xù)箱梁尚未探討.

綜上所述,現(xiàn)階段偏載系數(shù)的研究大多局限于連續(xù)梁橋,缺乏對連續(xù)剛構(gòu)橋的探討,且尚未明確偏載系數(shù)的主要影響因素及其相關(guān)關(guān)系,沒有提出切實(shí)可行的取值建議,理論研究和實(shí)踐應(yīng)用均存在一定程度的不足.基于此,本文依托8座載荷試驗(yàn)連續(xù)剛構(gòu)橋,計(jì)算值與實(shí)測值對比分析偏載系數(shù)的全橋分布規(guī)律,確定偏載系數(shù)的主要影響因素并分析其數(shù)學(xué)相關(guān)關(guān)系,提出基于寬跨比和高跨比的偏載系數(shù)計(jì)算公式,并用2座連續(xù)剛構(gòu)橋的實(shí)體模型計(jì)算值驗(yàn)證公式正確性,以供工程設(shè)計(jì)參考.

1 載荷試驗(yàn)

1.1 依托工程

選取10座單箱單室連續(xù)剛構(gòu)橋作為研究對象,其中前8座橋?yàn)閿M合樣本,后2座橋?yàn)楣津?yàn)證橋梁,其基本情況如表1所示.

1.2 靜載試驗(yàn)

因試驗(yàn)橋梁眾多,本文以小金河大橋?yàn)槔f明載荷試驗(yàn)操作事項(xiàng).

經(jīng)模型分析確定該橋控制截面為邊跨0.33 L、6號墩支點(diǎn)、6號墩底、中跨跨中截面, 4個(gè)偏載工況. 計(jì)算各工況下控制截面內(nèi)力影響線, 根據(jù)影響線分析結(jié)果分級加載. 本次試驗(yàn)共需要16輛總重各為350 kN的三軸載重汽車. 各加載工況、載荷效率如表2所示, 滿足規(guī)范[12]要求.

各測試截面撓度和應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖1所示,其中應(yīng)變數(shù)據(jù)采用TDS-303靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集,撓度數(shù)據(jù)采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測試,并記錄數(shù)據(jù).

表1 依托連續(xù)剛構(gòu)橋梁概況Table 1 General situation of continuous rigid frame bridges

表2 偏載試驗(yàn)效率表Table 2 The efficiency of the partial load test

圖1 靜載試驗(yàn)測點(diǎn)布置圖Fig.1 Test point arrangement of static load test

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過靜載試驗(yàn)得到小金河大橋各控制斷面偏載作用下的應(yīng)變和撓度值見表3、表4.

表3 撓度計(jì)算值與實(shí)測值Table 3 Calculating values and measured data of deflection

表4 應(yīng)變計(jì)算值與實(shí)測值Table 4 Calculating values and measured data of strain

由表3、表4計(jì)算撓度校驗(yàn)系數(shù)及應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定,結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求且具有一定的安全儲(chǔ)備.

2 連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)研究

基于靜載試驗(yàn)結(jié)果,用連續(xù)剛構(gòu)橋控制截面位置處最大值效應(yīng)(撓度和應(yīng)力)與對應(yīng)橫向各個(gè)效應(yīng)平均值之比表示偏載系數(shù),如表5所示(因分析對象較多,僅列出部分以示說明).

表5 12 m橋?qū)捲囼?yàn)橋梁偏載系數(shù)表Table 5 Eccentric load coefficient of 12 m width test bridges

由表5分析可知偏載系數(shù)沿全橋的分布是變化的,橋梁跨數(shù)較少時(shí),邊跨(次邊跨)0.4L附近出現(xiàn)最大值,中跨跨中次之,橋墩支點(diǎn)位置處最小;同一座橋邊跨偏載系數(shù)大于中跨相同位置的偏載系數(shù),表明偏載系數(shù)與寬跨比有關(guān);同一跨內(nèi)L/4截面處偏載系數(shù)最大,跨中次之,橋墩支點(diǎn)位置處最小;對于寬跨比相近,高跨比不同的橋梁,相同位置處偏載系數(shù)相差很大,表明偏載系數(shù)與高跨比存在很大的相關(guān)性;按撓度計(jì)算的偏載系數(shù)實(shí)測值與計(jì)算值相差無幾,且均小于1.15實(shí)測值普遍大于計(jì)算值,故從撓度角度考慮設(shè)計(jì)取1.15是安全的;按應(yīng)變(應(yīng)力)計(jì)算的偏載系數(shù)實(shí)測值普遍大于計(jì)算值,且相差較大,只有少數(shù)值小于1.15,故從應(yīng)力角度考慮,設(shè)計(jì)取1.15存在安全隱患,故應(yīng)按應(yīng)力偏載系數(shù)控制設(shè)計(jì).

3 連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)公式擬合及驗(yàn)證

以上分析可知寬跨比和高跨比為連續(xù)剛構(gòu)橋偏載系數(shù)的主要影響因素.理論上連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)按偏載系數(shù)分布規(guī)律取值,即不同截面位置處取用不同值,但實(shí)際應(yīng)用時(shí)可操作性較差,且不利于提高工作效率,故借鑒經(jīng)驗(yàn)法的思想宜對全橋采用統(tǒng)一的偏載系數(shù)值,取最大值控制設(shè)計(jì).各橋梁應(yīng)力偏載系數(shù)最大值如表6所示.

表6 試驗(yàn)橋梁應(yīng)力偏載系數(shù)最大值Table 6 The maximum eccentric load coefficient of test bridges

注:因應(yīng)變實(shí)測值受環(huán)境,氣候等條件影響較大,故取計(jì)算值研究.

用MATLAB擬合偏載系數(shù)與寬跨比、高跨比的三維空間關(guān)系,公式如下:

其中:ξ支、ξ中、ξ設(shè)計(jì)分別為按支點(diǎn)高跨比計(jì)算、按跨中高跨比計(jì)算及設(shè)計(jì)取用的偏載系數(shù);B為橋梁寬度;L為橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑;H支為墩頂梁高;H中為跨中梁高.

限于試驗(yàn)橋梁均采用單箱單室截面,故此公式僅適用于單箱單室截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì),對于其他截面形式還需進(jìn)一步探討.

為驗(yàn)證偏載系數(shù)計(jì)算公式的正確性,選取榆林開關(guān)橋和S207線漢江大橋建立Midas FEA實(shí)體模型,計(jì)算各控制截面的應(yīng)力偏載系數(shù)值,將公式計(jì)算值與有限元值對比分析如表7所示.

表7 偏載系數(shù)公式計(jì)算值與有限元計(jì)算值對比分析Table 7 Comparative analysis of formula calculating values and finite element solutions of eccentric load coefficient

注:誤差=(公式值-有限元值)/有限元值.

偏載系數(shù)模型計(jì)算值與擬合公式計(jì)算值偏差在±5%范圍內(nèi),滿足工程精度要求.

4 結(jié)論及建議

(1) 偏載系數(shù)沿全橋的分布是變化的,橋梁跨數(shù)較少時(shí),邊跨(次邊跨)0.4L附近出現(xiàn)最大值,中跨跨中次之,橋墩位置處最小.

(2) 同一跨內(nèi)L/4截面處偏載系數(shù)最大,跨中次之,橋墩位置處最小.

(3) 從撓度角度考慮,偏載系數(shù)取1.15是安全的,但從應(yīng)力角度考慮,設(shè)計(jì)取1.15存在安全隱患,應(yīng)按應(yīng)力偏載系數(shù)控制設(shè)計(jì).

(4) 偏載系數(shù)受寬跨比和高跨比的影響較大,基于此提出偏載系數(shù)計(jì)算式(1)、式(2),實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)偏載系數(shù)取兩公式計(jì)算值的平均值即式(3).

(5) 本文提出的偏載系數(shù)計(jì)算公式初步滿足工程精度的要求,單箱單室或其他截面連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)可適當(dāng)參考取值同時(shí)建立空間模型進(jìn)一步計(jì)算確定,以減少驗(yàn)算次數(shù),保證橋梁結(jié)構(gòu)安全.

[1] 許羿,黃旭. 簡支箱梁橋偏載系數(shù)的平而桿系有限元計(jì)算方法[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,27(5):672-675. (XU Y,HUANG X. Calculating method of eccentric loaded coefficients of simple supported girder bridges with plane finite bar elements[J].Journal of Chongqing Jiaotong University, 2008,27(5):672-675.)

[2] 徐海軍,冷金榮. 城市高架橋異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)分析[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2010,26 (2):70-75. (XU H J,LENG J R. Three-dimensional analysis of wide irregular box-girders for city viaduct[J]. Structural Engineers, 2010,26 (2):70-75.)

[3] 陳國強(qiáng). 連續(xù)寬箱梁的偏載增大系數(shù)的討論[J]. 公路交通科技, 2013,30(7):66-71. (CHEN G Q. Discussion on eccentric load enhancement coefficient of continuous wide box girder[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2013,30(7):66-71.)

[4] 郭憶,葉見曙,萬紅燕. 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁偏載系數(shù)試驗(yàn)研究[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2002,16(4):14-16. (GUO Y,YE J S, WAN H Y. Research on pre-stressed concrete box-beam eccentric-loaded coefficients trials[J]. Journal of Heilongjiang Institute of Technology, 2002,16(4):14-16.)

[5] 王勇,劉永健,唐小方. 混凝土連續(xù)箱梁偏載系數(shù)簡化算法研究[J]. 長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào), 2006,22(3):35-39. (WANG Y,LIU Y J,TANG X F. Study on the simplified calculations of the eccentric-loaded coefficients of the continuous concrete box-bean[J]. Journal of Changsha Communications University, 2006,22(3):35-39.)

[6] 陳愛萍,刁榮亭,趙國. 預(yù)應(yīng)力混凝土變寬箱梁偏載系數(shù)研究[J]. 山東交通學(xué)院學(xué)報(bào), 2008,16(3):50-55. (CHEN A P,DIAO R T,ZHAO G. Research on eccentric-loaded coefficients of pre-stressed concrete non-uniform width box-beam[J]. Journal of Shandong Jiaotong University, 2008,16(3):50-55.)

[7] 陸軍,張道光. 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋偏載系數(shù)研究[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù), 2011,8(3):23-25. (LU J,ZHANG D G. Research on eccentric loaded coefficients of variable cross-section continuous prestressed concrete box girder bridge[J]. Modern Transportation Technology, 2011,8(3):23-25.)

[8] 蘇儉,劉釗,阮靜. 連續(xù)梁橋的活載正應(yīng)力偏載系數(shù)研究[J]. 世界橋梁, 2009(4):34-37. (SU J,LIU Z,RUAN J. Study of eccentric load coefficient of live load normal stress of continuous beam bridge[J]. The World Bridge Journal, 2009(4):34-37.)

[9] MA L,ZHOU L Y,LI S Q,et al. Eccentric load coefficient of live load normal stress of continuous composite box-girder bridge with corrugated steel webs[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2012,5:335-340.

[10] 陳水生,苗守舉,桂水榮,等. 單箱多室波形鋼腹板箱梁偏載系數(shù)參數(shù)分析[J]. 工業(yè)建筑, 2016,46(5):160-165. (CHEN S S,MIAO S J, GUI S R, et al. Parameter study of eccentric load coefficient of multi-cell single-box composite box girder with corrugated steel webs[J]. Industrial Construction, 2016,46(5):160-165.)

[11] 安麗勇. 橋梁寬度和跨度對城市橋梁活載偏載系數(shù)影響的研究[J]. 城市道橋與防洪, 2012(10):49-51. (AN L Y. Study on influence of bridge width and span on urban bridge eccentric coefficient of live load[J]. Urban Roads Bridges & Flood Control, 2012(10):49-51.)

[12] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部. 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程:JTG/T J21—2011[S]. 北京:人民交通出版社, 2011. (Ministry of Transportation of the People, Republic of China. Specification for inspection and evaluation of load-bearing capacity of highway bridges: JTG/T J21—2011 [S]. Beijing: China Communications Press, 2011.)

【責(zé)任編輯: 肖景魁】

Reasonable Value of Eccentric Load Coefficient of Continuous Rigid Frame Bridge

WuXiaoguang,LiuYing,HePan,LiYilin

(Laboratory for Bridge and Tunnel, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

For the proper values of eccentric load coefficient of continuous rigid frame bridge, relying on the eight loading test bridges, the eccentric load coefficient distribution regularity of the whole bridge is analyzed by comparing the finite element calculated values with experimental measured values. It is determined that width-span ratio and high-span ratio of continuous rigid frame bridge can be the main control factors of eccentric load coefficient. A calculation formula for eccentric load coefficient is put forward, and the finite element solutions are compared with the formula calculating values to verify that the accuracy of formula is within ±5%.

continuous rigid frame bridge; load test; width-span ratio; high-span ratio; eccentric load coefficient

2016-10-21

陜西省交通運(yùn)輸廳科技資助項(xiàng)目(13-25k).

鄔曉光(1961-),男,湖北英山人,長安大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

2095-5456(2017)01-0049-05

U 448.23

A