橋梁荷載試驗(yàn)方案布置與優(yōu)化過程詳解

1、橋梁荷載試驗(yàn)橋梁荷載試驗(yàn)方案布置方案布置與與優(yōu)化過程優(yōu)化過程詳解詳解大跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋大跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋靜力荷載試驗(yàn)方案靜力荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與與優(yōu)化優(yōu)化交流提綱交流提綱 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化引言引言荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)與評(píng)定橋梁承載能力最直接有效的方法，也是橋梁交（竣）工驗(yàn)收及后期養(yǎng)護(hù)的重要科學(xué)依據(jù)。針對(duì)目前荷載試驗(yàn)工況多、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用大等缺點(diǎn)，結(jié)合高墩大跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性與影響線特點(diǎn)，在保障結(jié)構(gòu)安全的條件下，對(duì)荷載試驗(yàn)的工況進(jìn)行了優(yōu)化。第一部分第一部分 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化模型建立模型建

2、立（110+3200+110）m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱形連續(xù)剛構(gòu)橋。箱梁為單箱單室橫斷面，下部結(jié)構(gòu)主墩為鋼筋混凝土雙肢薄壁墩。單向兩車道，按照三車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路級(jí)。模型建立模型建立在建模前，應(yīng)首先需要根據(jù)分析的目的來(lái)選擇相應(yīng)的單元以及模型的簡(jiǎn)化原則，并應(yīng)事先劃分好施工階段、結(jié)構(gòu)組、荷載組以及一些必要的計(jì)算（如一期、二期恒載）等。一般地，在模型完全建立后，可選擇“消隱”功能以顯示與校驗(yàn)所建立的有限元模型是否與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致；還可以按照不同材料、截面等信息選擇不同的顏色顯示，使得橋梁整體的有限元模型更加清晰、明了。模型建立模型建立第二部分第二部分 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)

3、計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)考慮，橫隔板與齒板用集中力輸入，二期（鋪裝、欄桿等）用均布荷載考慮。汽車荷載的沖擊系數(shù)通過輸入基頻來(lái)考慮，由于是單梁模型，故荷載橫向分布系數(shù)為 3（車道數(shù)）0.78（橫向折減系數(shù)）1.15（偏載系數(shù)）0.97（縱向折減系數(shù)）=2.61。由于荷載試驗(yàn)是測(cè)試橋梁在設(shè)計(jì)活載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的增量增量，且預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)較小以及對(duì)結(jié)構(gòu)的基頻影響較小，故暫不考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算運(yùn)用“特征值分析控制”功能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性理論計(jì)算分析，分析前需將結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，即將結(jié)構(gòu)自重與恒載轉(zhuǎn)化到“Z”上。內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算主梁正對(duì)稱豎

4、彎（f1= 0.774 583 Hz）內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算AACCDDBBEE第三部分第三部分 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)此次靜力荷載試驗(yàn)的加載車擬選取總重為300kN，前軸為60kN，中后軸均為120kN，前中軸距為3.5m，中后軸距為1.5m，加載車荷載采用集中力等效模擬。350140180120kN120kN60kN初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)51200D-D620041200580041200E-E2300312002400B-B4567700051200A-AC-C第四部分第四部分 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算

5、內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化方案優(yōu)化方案優(yōu)化以右邊跨M+max（E-E截面）為例，將同一截面的內(nèi)力與撓度加載工況優(yōu)化為1個(gè)工況，優(yōu)化后的加載車載位布置。撓 度 影 響 線內(nèi) 力 影 響 線1400390014004567方案優(yōu)化方案優(yōu)化從初步載位布置圖可看出，中跨跨中M+max（A-A截面）與6#墩頂附近M-min（B-B截面）2個(gè)加載工況的加載車載位布置較為接近，同時(shí)，結(jié)合截面影響線圖形的互補(bǔ)性，即正負(fù)彎矩影響線曲線變化趨勢(shì)恰好相反，可以將A-A與B-B截面2個(gè)加載工況優(yōu)化為1個(gè)工況。1100A-A4567B-B140041400方案優(yōu)化方案優(yōu)化以右邊跨M+max（E-E截面

6、）為例，通過適當(dāng)調(diào)整加載車載位，將加載車在縱橋向上以控制截面為對(duì)稱軸進(jìn)行布置，即將控制截面留出一定距離的“空載段”，而不是將加載車直接加載在控制截面上。24501350135037004567方案優(yōu)化方案優(yōu)化1256347891011131211122137854691021375468方案優(yōu)化方案優(yōu)化工況數(shù)量工況數(shù)量控制控制截面截面控制項(xiàng)目控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)荷載荷載試驗(yàn)試驗(yàn)荷載荷載加載加載效率效率加載車加載車數(shù)量數(shù)量備備注注大工況大工況小工況小工況1 1A-AA-AMM+ +maxmax內(nèi)力內(nèi)力/ / kNmkNm27318.4727318.4726513.0826513.080.970.97

7、1313合合并并撓度撓度/ mm/ mm-53.276-53.276-52.627-52.6270.990.992 2B-BB-BMM- -minmin內(nèi)力內(nèi)力/ / kNmkNm-140324.72-140324.72-139891.92-139891.921.001.003 3C-CC-CMM- -minmin內(nèi)力內(nèi)力/ / kNmkNm-38280.78-38280.78-36332.76-36332.760.950.951212合合并并4 4D-DD-DMM+ +maxmax內(nèi)力內(nèi)力/ / kNmkNm27301.8127301.8127455.9127455.911.011.01撓度

8、撓度/ mm/ mm-52.565-52.565-51.086-51.0860.970.975 5E-EE-EMM+ +maxmax內(nèi)力內(nèi)力/ / kNmkNm26852.6126852.6126821.1826821.181.001.008 8合合并并撓度撓度/ mm/ mm-18.312-18.312-17.546-17.5460.960.96結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ) 若只根據(jù)內(nèi)力影響線進(jìn)行加載布置，雖然內(nèi)力的加載效率能夠滿足要求，但是撓度往往偏低，而通過考慮內(nèi)力并兼顧撓度的加載效應(yīng)，可以將同一截面的內(nèi)力與撓度加載工況優(yōu)化為1個(gè)工況，避免了對(duì)同一截面的重復(fù)加載。結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ) 根據(jù)高墩大跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的受

9、力特點(diǎn)，并結(jié)合截面影響線圖形的互補(bǔ)性，即正負(fù)彎矩影響線曲線變化趨勢(shì)恰好相反，可以將中跨跨中最大正彎矩與墩頂附近主梁最大負(fù)彎矩2個(gè)加載工況優(yōu)化為1個(gè)工況。 同理同理，可以將右次邊跨L/4附近彎矩與右次邊跨跨中最大正彎矩2個(gè)加載工況優(yōu)化為1個(gè)工況。結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ) 這樣將全橋原來(lái)5個(gè)大工況、8個(gè)小工況最終優(yōu)化為3個(gè)工況，優(yōu)化后的試驗(yàn)方案不僅可以保證各控制截面的加載效率均達(dá)到規(guī)范要求，極大地提高了加載車的加載效應(yīng)，縮短了試驗(yàn)過程的耗時(shí)，而且避免了加載車在同一（相近）位置的重復(fù)加載，此外，加載車輛較之優(yōu)化前有所減少，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ) 通過適當(dāng)調(diào)整加載車載位，將加載車在縱橋向上以控制截面為對(duì)稱軸進(jìn)行

10、布置，將控制截面留出一定距離的“空載段”，而不是將加載車直接加載在控制截面上，避免了加載車直接加載在控制截面上形成內(nèi)力突變，使得內(nèi)力在控制截面的一定范圍內(nèi)為一“恒定值”，減少了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置偏差造成的數(shù)據(jù)采集誤差，提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。多跨矮塔斜拉橋多跨矮塔斜拉橋靜力荷載試驗(yàn)方案靜力荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與與優(yōu)化優(yōu)化交流提綱交流提綱 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化引言引言矮塔斜拉橋又稱為部分斜拉橋，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的介于連續(xù)剛構(gòu)橋與普通斜拉橋之間的一種新橋型，具有塔矮、梁高、剛度大等特點(diǎn)。就矮塔斜拉橋這一新興橋型而言，進(jìn)行成橋靜力荷載試驗(yàn)不僅是為

11、檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性能，掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，評(píng)估橋梁施工質(zhì)量與實(shí)際承載能力，為橋梁交（竣）工驗(yàn)收提供重要依據(jù)，也是為橋梁的健康監(jiān)測(cè)提供完整的初始狀態(tài)信息，為同類型橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性的研究及設(shè)計(jì)計(jì)算積累實(shí)橋試驗(yàn)資料。引言引言為減少橋梁荷載試驗(yàn)耗時(shí)及中斷交通時(shí)間等，以一座四塔五跨單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋?yàn)槔?，結(jié)合多跨矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及控制截面影響線的特點(diǎn)，通過考慮內(nèi)力兼顧撓度的加載效應(yīng)，截面影響線的圖形相似性及互補(bǔ)性，并適當(dāng)調(diào)整加載車載位，將加載車在順橋向以控制截面為對(duì)稱軸進(jìn)行布置，對(duì)橋梁靜力荷載試驗(yàn)工況進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后將全橋9個(gè)荷載試驗(yàn)工況僅通過3次加載即可全部實(shí)現(xiàn)，各控制

12、截面的加載效率均能夠滿足試驗(yàn)規(guī)程要求，可為同類型橋梁的荷載試驗(yàn)提供參考。 第一部分第一部分 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化模型建立模型建立（128+3210+128）m四塔五跨單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，采用墩塔梁固結(jié)剛構(gòu)體系。主梁為變高度斜腹板單箱三室寬幅脊梁，索塔為獨(dú)柱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面為八邊形，每個(gè)索塔設(shè)置16對(duì)斜拉索，全橋共計(jì)128根。設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)（雙向6車道），人群荷載為2.5 kN/m2。模型建立模型建立在建模前，應(yīng)首先需要根據(jù)分析的目的來(lái)選擇相應(yīng)的單元以及模型的簡(jiǎn)化原則，并應(yīng)事先劃分好施工階段、結(jié)構(gòu)組、荷載組以及一些必要的計(jì)算（

13、如一期、二期恒載）等。一般地，在模型完全建立后，可選擇“消隱”功能以顯示與校驗(yàn)所建立的有限元模型是否與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致；還可以按照不同材料、截面等信息選擇不同的顏色顯示，使得橋梁整體的有限元模型更加清晰、明了。模型建立模型建立全橋共劃分851個(gè)節(jié)點(diǎn)、782個(gè)單元（含128個(gè)桁架單元與654個(gè)梁?jiǎn)卧?。第二部分第二部?模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)考慮，箱梁橫隔板與齒板不考慮剛度貢獻(xiàn)僅考慮質(zhì)量影響，用集中力輸入，二期恒載（鋪裝、欄桿等）用均布荷載考慮，汽車荷載的沖擊系數(shù)通過輸入基頻來(lái)考慮。根據(jù)圖示的計(jì)算結(jié)果并結(jié)合試驗(yàn)規(guī)程要求

14、，同時(shí)考慮需要避開實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中局部加勁（如橫隔板等）位置及測(cè)點(diǎn)布置的易操作性與合理性，最終選取了如圖示的6個(gè)截面作為此次靜力荷載試驗(yàn)的控制截面。內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算1280021000210001280021000試驗(yàn)橋跨ABB55010500105001050010500CC44008400DDEEFF200A7002503830200102516003650340280010252201.5m人行道15252201.5m人行道1525測(cè)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)布置152517545383019519535081530016008153001525175453401.5m人 行 道1.5m人 行 道橋 面

15、撓 度 測(cè) 點(diǎn)橋 塔 頂 偏 位 測(cè) 點(diǎn)1280021000210001280021000第三部分第三部分 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)靜力荷載試驗(yàn)的加載車擬選取總重為350kN的車輛，前軸為70kN，中后軸均為140kN，前中軸距為3.5 m，中后軸距為1.5 m，加載車荷載采用集中力等效模擬。根據(jù)各控制截面的內(nèi)力影響線采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃加載法對(duì)全橋9個(gè)工況（即A-A、C-C、D-D控制截面的彎矩與撓度工況；B-B、E-E控制截面的彎矩工況；F-F控制截面的位移工況）進(jìn)行加載車初步布置。初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)加載車縱向最小間距為7 m，橫向每排布

16、置4列。A-AP1B-BC-CD-DE-EF-FP2P3P4圖3方案優(yōu)化方案優(yōu)化工況工況編號(hào)控制截面控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)值試驗(yàn)值加載效率加載車數(shù)量A-AM+max內(nèi)力/kNm73291.5369626.950.9516撓度/mm-91.628-43.9810.48B-BM-min內(nèi)力/kNm-163773.02-155584.370.9524C-CM+max內(nèi)力/kNm72938.9369291.980.9516撓度/mm-91.669-44.9180.49D-DM+max內(nèi)力/kNm74314.4871341.900.9616撓度/mm-46.324-24.0880.52E-EM+max內(nèi)力/kNm

17、21977.4120878.540.9528F-Ff+max撓度/mm24.30821.3910.8820初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)u各控制截面的內(nèi)力加載效率（=0.950.96）滿足試驗(yàn)規(guī)程要求，但是相應(yīng)截面的撓度加載效率卻較低（=0.480.52），初步載位布置不能很好地反映出試驗(yàn)荷載作用下橋梁整體的剛度變化；u車輛布置不盡合理，如E-E截面，加載車載位距離相距甚遠(yuǎn)，不利于現(xiàn)場(chǎng)加載控制，而且每次加載只能夠滿足一個(gè)試驗(yàn)工況，加載車?yán)寐瘦^低，耗時(shí)費(fèi)力，需進(jìn)行優(yōu)化。第四部分第四部分 模型建立模型建立 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化方案優(yōu)化方案優(yōu)化方案優(yōu)化 對(duì)于多跨矮塔斜拉橋而言，由于結(jié)構(gòu)自

18、身特點(diǎn)（跨度大、結(jié)構(gòu)柔）的原因，設(shè)計(jì)荷載作用下主梁的豎向撓度會(huì)比較大。 對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)時(shí)，如果僅按照初步加載方案來(lái)布置試驗(yàn)荷載，撓度荷載效率往往會(huì)偏小。 撓度是反映橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度的重要指標(biāo)，因此應(yīng)考慮內(nèi)力并兼顧撓度的加載效應(yīng)。方案優(yōu)化方案優(yōu)化以右邊跨M+max（A-A截面）為例，將同一截面的內(nèi)力與撓度加載工況優(yōu)化為1個(gè)工況，優(yōu)化后的加載車載位布置。P1P2P3P4彎 矩 影 響 線撓 度 影 響 線方案優(yōu)化方案優(yōu)化從初步載位布置圖可看出， 3號(hào)索塔底附近最大正彎矩E-E截面與3號(hào)索塔頂端最大縱向位移F-F截面2個(gè)加載工況的加載車載位布置較為接近，且影響線曲線變化趨勢(shì)基本一致，可將

19、E-E截面與F-F截面2個(gè)加載工況優(yōu)化為1個(gè)工況。P1P2P3P4F-F截 面 影 響 線E-E截 面 影 響 線方案優(yōu)化方案優(yōu)化根據(jù)多跨矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并結(jié)合截面影響線的圖形互補(bǔ)性，即正負(fù)彎矩影響線曲線變化趨勢(shì)恰好相反，可將3號(hào)墩墩頂附近主梁最大負(fù)彎矩B-B截面與次邊跨跨中最大正彎矩C-C截面2個(gè)加載工況優(yōu)化為1個(gè)工況。P1P2P3P4B-B截 面 影 響 線C-C截 面 影 響 線圖6方案優(yōu)化方案優(yōu)化由圖3與圖6對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，為了兼顧B-B截面達(dá)到加載效率，C-C截面的加載車總數(shù)有所增加，截面荷載效率看似超限（1.05），但值得注意的是，增加的加載車剛好布置在C-C截面的影響線負(fù)值

20、區(qū)域，很好地起到了“降低”該截面加載效應(yīng)的作用。按照?qǐng)D6所示的加載車載位布置進(jìn)行理論加載時(shí)，E-E與F-F截面的荷載效率已達(dá)到0.86，故只需對(duì)圖6的加載布置稍作調(diào)整，便可在一個(gè)工況里同時(shí)滿足B-B、C-C、E-E與F-F共計(jì)4個(gè)控制截面的試驗(yàn)需求。方案優(yōu)化方案優(yōu)化為了保障加載過程中的安全，只需適當(dāng)調(diào)整加載車的加載先后順序，即先加載影響線負(fù)值位置，再加載影響線正值位置（圖中先加載車，再加載32車）。1256438713142218161524203026322810171211231925312792129方案優(yōu)化方案優(yōu)化通過上述二次優(yōu)化二次優(yōu)化后將全橋原來(lái)9個(gè)工況最終優(yōu)化為3個(gè)工況。優(yōu)化后的方案不僅可以保證各控制截面的加載效率均達(dá)到試驗(yàn)規(guī)程要求，極大地提高加載車的加載效應(yīng)，縮短了試驗(yàn)過程的耗時(shí)，而且可以避免加載過程中局部截面的內(nèi)力與應(yīng)力超出設(shè)計(jì)限值，有效地防止了荷載試驗(yàn)給橋梁結(jié)構(gòu)可能造成的損傷，保障了試驗(yàn)過程及結(jié)構(gòu)的安全。 方案優(yōu)化方案優(yōu)化以中跨跨中M+max（A-A截面）為例，通過適當(dāng)調(diào)整加載車載位，將加載車在縱橋向上以控制截面為對(duì)稱軸進(jìn)行布置，即將控制截面留出一定距離的“空載段”，而不是將加載車直接加載在控制截面上。5614108716121820294315111719113方案優(yōu)化方案優(yōu)化工況編號(hào)控制截面加載車數(shù)量控制項(xiàng)目設(shè)計(jì)值試驗(yàn)值加載效率A-AM