文物老桥荷载试验与有限元分析对比

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1、文物老桥荷载试验与有限元分析对比　　摘要：以最新一期灵桥检测评定为背景，系统介绍评定过程中发现的桥梁典型病害和荷载试验的相关内容。基于全桥空间形位测量数据，考虑拱肋、横梁等构件的初始变形，经数据拟合建立修正的灵桥空间有限元模型。通过静、动载试验工况下实测数据与有限元分析结果的对比，发现两者在位移、应力、冲击系数、振动基频等参数上吻合度较好，证明了修正有限元模型的正确性，为灵桥承载力及稳定性能的分析提供依据。关键词：荷载试验；初始变形；模型修正；分析评定中图分类号：U448文献标识码：A0概况灵桥跨长97.536m，设计桥宽20.17m。主拱圈采用帽形断面，矢跨比为1/6.5，竖曲线

2、为半径R=88.201m的圆弧线。全桥共设等间距布置的H形截面吊杆12对，吊杆中心距为7.925m。设计荷载为汽-20级。6在70多年的运营史中，战火、荷载、腐蚀等因素造成灵桥的力学性能不断退化。近年来，受通航等级提升等因素影响，灵桥更是屡遭船撞困扰(2011年11月7日，船撞造成灵桥下游侧桥下连接系纵梁明显变形，对应拱脚混凝土裂缝增宽，且形成高低差)。各种症状（见图2）表明灵桥结构内力可能存在较大幅度的改变。图1灵桥平、立面编号及测点布置(a)拱肋表面弹痕(b)吊杆横梁交接处裂纹(c)拱脚内部锈蚀(d)船撞导致横梁撕裂变形图2灵桥典型病害为此，针对灵桥实施检测和技术状态评定，为后

3、续维修改造提供措施和建议十分必要。1荷载试验目前，基于荷载试验的承载能力评定是桥梁结构评定中使用最多的一种方法。该方法将设计荷载模拟加载于实桥结构，同时进行相关测试分析，以了解桥梁在试验荷载下的工作状态，从而为结构评定提供科学依据。按照试验的侧重点、目的与要求不同，桥梁荷载试验可分为静载试验和动载试验。为模拟双车道汽-20荷载，选用6辆30吨三轴货车作为试验荷载进行静载工况加载，货车在横桥向分为两列，每列3辆。最终确定静载工况13个（含3个空载工况）。动载试验工况根据货车过桥速度分为3种，依次为工况13：两辆货车以10km/h速度平行驶过桥面；工况14：两辆货车以20km/h速度平

4、行驶过桥面；工况15：两辆货车以30km/h速度平行驶过桥面。6本次荷载试验的测试内容主要包括四个方面（荷载试验测点布置详见图1）：(1)主要构件在静载作用下的应力：通过初步的有限元计算得到灵桥拱肋、吊杆的影响线，比较分析后选出具有代表意义的3条拱肋影响线（A’8，A’11和A’13）和2条吊杆影响线（A’9B’9和A’12B’12）作为荷载试验车列纵向布置的依据；(2)结构空间形位和三维变形：在下游侧拱肋、吊杆表面粘贴反射膜，用全站仪测量结构的空间形位和静载作用下的三维变形；(3)结构冲击系数：动载工况下用动态应变采集仪测量；(4)结构的低阶自振频率和低阶振型：通过在拱肋和桥面设

5、置横向和竖向拾振仪量测。2有限元模型修正为检验荷载试验数据，需要通过有限元计算将实测值和理论值进行对比。此外，实测值与计算值的相符程度也可作为衡量有限元模型正确与否的标准，进而在有限元分析的基础上评定灵桥的承载能力和稳定性能等技术状态。2008年对灵桥进行荷载试验时曾根据原有的设计图纸建立了未考虑构件变形的有限元模型[1]。初步分析发现，基于未修正的有限元模型的计算结果与本次荷载试验结果差距较大，因此需要对该模型进行修正。6本文使用ANSYS建立灵桥有限元模型。由于船撞导致灵桥拱肋、吊杆、横梁发生了不同程度的变形，建模时需要考虑以上构件初始变形的影响；鉴于现有的桥面板和吊杆不是刚性

6、连接，且桥面板下间断焊接的加劲肋无法对其起到有效的支撑作用，模型中不另建桥面板单元而仅计入其自重效应。修正后的有限元模型见图3(a)。(a)修正的灵桥有限元模型(b)修正前拱肋(设计模型)(c)修正后拱肋(2011年模型)图3修正的灵桥有限元模型及修正前后模型对比3静载试验数据与计算值对比为验证有限元模型与结构真实力学性能的符合程度，并检验荷载试验结果，在模型中对各静载工况进行模拟加载，并与实测数据对比[2]。静载挠度的部分对比结果见图4。可以看到，各测点理论值相对测量值略大，但整体吻合程度较高。这与实际情况是相符合的，同时也证明修正的灵桥有限元模型的计算结果具有参考价值。灵桥A’

7、11(1/4跨)测点竖向挠度(mm)图4静载工况部分测点位移实测值与理论值对比6表1列出了实测静载位移随加载工况的变化值。表中，工况0、6、12对应空载工况，测点在这三种工况下的位移变化值均接近0，可见加载过程中回零良好，说明结构整体尚处于弹性工作状态。加载过程中，测点最大挠度出现在工况3下A’11测点的△z，为79mm，小于规范规定的L/1000=98mm[3]，因此结构刚度满足规范要求。表1静载位移测量数据(mm)工况表2列出了静载下部分测点实测应力与计算应力的对