摘要：橋梁的靜力學(xué)性能是評(píng)價(jià)橋梁運(yùn)營(yíng)狀況和承載能力的重要指標(biāo)之一?，F(xiàn)以某預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁為例，介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁橋靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容、方法，同時(shí)建立了該橋的ansys有限元模型，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果，為同類(lèi)橋梁分析及實(shí)驗(yàn)提供一定經(jīng)驗(yàn)和范例。為橋梁的竣工驗(yàn)收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁橋；靜力學(xué)特性；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1 前言
一些橫跨大江大河甚至是跨海的橋梁跨度不斷增大，從跨徑達(dá)幾百米的拱橋和斜拉橋到跨徑過(guò)千米的懸索橋，跨徑越來(lái)越大，柔度越來(lái)越大?？v觀國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)的歷程可以發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)橋梁靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。新型橋型的出現(xiàn)，橋梁跨度的增大使得一些大型橋梁因靜力性能出現(xiàn)過(guò)許多嚴(yán)重的甚至是災(zāi)難性的后果。對(duì)大量的橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也顯得尤為重要，也可以為以后的規(guī)范提供重要依據(jù)。橋梁靜載試驗(yàn)是測(cè)量橋梁在各種靜力荷載工況下的各個(gè)控制截面的應(yīng)力應(yīng)變及結(jié)構(gòu)的變形，從而確定結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能與設(shè)計(jì)期望值是否相符，它是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及其它性能最直接、最有效的辦法。
國(guó)內(nèi)外，許多學(xué)者對(duì)不同的橋梁進(jìn)行了靜動(dòng)力學(xué)分析，得到了它們的靜動(dòng)態(tài)參數(shù)。邵旭東等人對(duì)二次預(yù)應(yīng)力梁的徐變進(jìn)行了理論分析，并且對(duì)其承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。林波混凝土收縮徐變提出了新的計(jì)算方法，同時(shí)用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。肖汝誠(chéng)對(duì)超大跨度橋梁在靜風(fēng)荷載作用下的靜力、動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。程進(jìn)對(duì)纜索承重橋梁進(jìn)行了非線性空氣靜力穩(wěn)定性研究，等等。
本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)高架橋預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的靜力學(xué)特性進(jìn)行了分析與研究，并與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。為橋梁的竣工驗(yàn)收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供科學(xué)依據(jù)。
2 高架橋工程概況
長(zhǎng)沙市西北環(huán)線高架橋是新建橋梁，于2006年年底竣工通車(chē)。西北環(huán)線高架橋、立交橋工程是長(zhǎng)沙市二環(huán)線的重要樞紐工程之一，屬于城市快速干道，它的修建，對(duì)于完善城市交通布局，緩解長(zhǎng)沙市區(qū)交通堵塞，具有非常重要的作用。
為了檢驗(yàn)橋梁的施工質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)高架橋混凝土預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行了靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，以便對(duì)橋梁的現(xiàn)狀做出科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)，并且為橋梁竣工驗(yàn)收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供可靠依據(jù)。
長(zhǎng)沙市西北環(huán)線高架橋和長(zhǎng)益立交橋上部結(jié)構(gòu)為C40現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)箱梁：下部結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)D220cm人工挖孔灌注樁，橋墩柱為花瓶式方柱墩。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽超-20級(jí)，掛-120；橋面寬度：主橋2×12.8m；上下匝道橋?qū)?.0m；立交橋凈高：二環(huán)線>5.0m；匝道>4.5m；抗地震基本烈度：7度。結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)：主橋30m，是西北環(huán)線的主橋段，在東西兩側(cè)各有一個(gè)匝道口，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。其俯視圖見(jiàn)圖1。橋梁三維實(shí)體模型見(jiàn)圖2。
上部結(jié)構(gòu)：該跨現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)箱梁，采用C40混凝土，箱梁高1.68m，上下兩側(cè)匝道橋面寬8.0m，箱梁高1.524m；
主橋橋面：寬12.8m，坡度為1.5％的雙向橫坡；
橋墩：該橋?yàn)榛ㄆ渴椒街眨捎肅30混凝土；
樁基礎(chǔ)采用D220cm人工挖孔式灌注樁，為C25混凝土；
橋臺(tái)：采用輕型橋臺(tái)，兩排D150cm人工挖孔式灌注樁基礎(chǔ)；
支座：全橋均采用Qz系列橋梁球形支座；
設(shè)計(jì)荷載：汽-超20，掛車(chē)-120；
抗震烈度：7度。
根據(jù)《長(zhǎng)沙市西北環(huán)線高架橋工程施工圖設(shè)計(jì)》圖紙及其附件，通過(guò)有限元軟件ANSYS 10.0建立有限元模型(如圖1，圖2所示)。
按照設(shè)計(jì)荷載：汽-超20，掛車(chē)-120對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，并結(jié)合《大跨徑混凝土橋梁試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定，確定試驗(yàn)主要控制截面和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁靜力學(xué)分析
3．1靜力學(xué)分析及其結(jié)果
經(jīng)過(guò)有限元軟件ANSYS分析，試驗(yàn)跨在最大正彎矩作用下的最大拉應(yīng)力為2.62MPa，位于跨中箱梁底部，見(jiàn)圖3，試驗(yàn)跨在設(shè)計(jì)荷載的作用下，跨中最大拉應(yīng)力為2.89MPa，見(jiàn)圖4。
試驗(yàn)梁跨中和橋墩位置應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。跨中應(yīng)變片由西至東編號(hào)為8-1，8-2，…，81-11。復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁跨中截面(1/2截面)在最大正彎矩工況時(shí)汽車(chē)擺放的位置見(jiàn)圖6，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值見(jiàn)表1。
試驗(yàn)跨撓度測(cè)試點(diǎn)位置見(jiàn)圖9，最大正彎矩工況時(shí)，其對(duì)應(yīng)的撓度見(jiàn)表2。
經(jīng)過(guò)有限元軟件ANSYS分析，試驗(yàn)跨在最大正彎矩作用下的最大撓度為1.914mm，位于跨中位置，見(jiàn)圖8。在設(shè)計(jì)荷載作用下的最大撓度為2.571mm，位于跨中位置，見(jiàn)圖9。
試驗(yàn)結(jié)果分析評(píng)定
a、最大應(yīng)力值小于允許應(yīng)力，符合規(guī)范。
b、殘余應(yīng)力與最大變形之比≤0.2，符合規(guī)范。
c、大橋加載效率0.98，符合規(guī)范。
d、試驗(yàn)跨最大撓度≤L/800，同時(shí)小于理論計(jì)算值，符合規(guī)范要求。
通過(guò)靜載試驗(yàn)，該橋各控制截面在不同荷載作用下，位移與應(yīng)力均小于規(guī)范允許值。雖在跨中位置局部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，但由于是預(yù)應(yīng)力混凝土梁，大橋承載性能儲(chǔ)備較高。卸除荷載后，位移與應(yīng)變恢復(fù)良好，殘余應(yīng)力和殘余變形較小，該結(jié)構(gòu)整體彈性性能良好。
4 結(jié)論
建立了混凝土預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁的有限元模型，分析了其振動(dòng)的靜力學(xué)特性。介紹了混凝土復(fù)雜梁橋力學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容、方法，同時(shí)建立了該橋的ansys有限元模型，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果，為同類(lèi)橋梁分析及實(shí)驗(yàn)提供一定經(jīng)驗(yàn)和范例。為橋梁的竣工驗(yàn)收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁橋；靜力學(xué)特性；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1 前言
一些橫跨大江大河甚至是跨海的橋梁跨度不斷增大，從跨徑達(dá)幾百米的拱橋和斜拉橋到跨徑過(guò)千米的懸索橋，跨徑越來(lái)越大，柔度越來(lái)越大?？v觀國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)的歷程可以發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)橋梁靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。新型橋型的出現(xiàn)，橋梁跨度的增大使得一些大型橋梁因靜力性能出現(xiàn)過(guò)許多嚴(yán)重的甚至是災(zāi)難性的后果。對(duì)大量的橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也顯得尤為重要，也可以為以后的規(guī)范提供重要依據(jù)。橋梁靜載試驗(yàn)是測(cè)量橋梁在各種靜力荷載工況下的各個(gè)控制截面的應(yīng)力應(yīng)變及結(jié)構(gòu)的變形，從而確定結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能與設(shè)計(jì)期望值是否相符，它是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及其它性能最直接、最有效的辦法。
國(guó)內(nèi)外，許多學(xué)者對(duì)不同的橋梁進(jìn)行了靜動(dòng)力學(xué)分析，得到了它們的靜動(dòng)態(tài)參數(shù)。邵旭東等人對(duì)二次預(yù)應(yīng)力梁的徐變進(jìn)行了理論分析，并且對(duì)其承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。林波混凝土收縮徐變提出了新的計(jì)算方法，同時(shí)用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。肖汝誠(chéng)對(duì)超大跨度橋梁在靜風(fēng)荷載作用下的靜力、動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。程進(jìn)對(duì)纜索承重橋梁進(jìn)行了非線性空氣靜力穩(wěn)定性研究，等等。
本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)高架橋預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的靜力學(xué)特性進(jìn)行了分析與研究，并與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。為橋梁的竣工驗(yàn)收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供科學(xué)依據(jù)。
2 高架橋工程概況
長(zhǎng)沙市西北環(huán)線高架橋是新建橋梁，于2006年年底竣工通車(chē)。西北環(huán)線高架橋、立交橋工程是長(zhǎng)沙市二環(huán)線的重要樞紐工程之一，屬于城市快速干道，它的修建，對(duì)于完善城市交通布局，緩解長(zhǎng)沙市區(qū)交通堵塞，具有非常重要的作用。
為了檢驗(yàn)橋梁的施工質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)高架橋混凝土預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行了靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，以便對(duì)橋梁的現(xiàn)狀做出科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)，并且為橋梁竣工驗(yàn)收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供可靠依據(jù)。
長(zhǎng)沙市西北環(huán)線高架橋和長(zhǎng)益立交橋上部結(jié)構(gòu)為C40現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)箱梁：下部結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)D220cm人工挖孔灌注樁，橋墩柱為花瓶式方柱墩。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽超-20級(jí)，掛-120；橋面寬度：主橋2×12.8m；上下匝道橋?qū)?.0m；立交橋凈高：二環(huán)線>5.0m；匝道>4.5m；抗地震基本烈度：7度。結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)：主橋30m，是西北環(huán)線的主橋段，在東西兩側(cè)各有一個(gè)匝道口，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。其俯視圖見(jiàn)圖1。橋梁三維實(shí)體模型見(jiàn)圖2。
上部結(jié)構(gòu)：該跨現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)箱梁，采用C40混凝土，箱梁高1.68m，上下兩側(cè)匝道橋面寬8.0m，箱梁高1.524m；
主橋橋面：寬12.8m，坡度為1.5％的雙向橫坡；
橋墩：該橋?yàn)榛ㄆ渴椒街眨捎肅30混凝土；
樁基礎(chǔ)采用D220cm人工挖孔式灌注樁，為C25混凝土；
橋臺(tái)：采用輕型橋臺(tái)，兩排D150cm人工挖孔式灌注樁基礎(chǔ)；
支座：全橋均采用Qz系列橋梁球形支座；
設(shè)計(jì)荷載：汽-超20，掛車(chē)-120；
抗震烈度：7度。
根據(jù)《長(zhǎng)沙市西北環(huán)線高架橋工程施工圖設(shè)計(jì)》圖紙及其附件，通過(guò)有限元軟件ANSYS 10.0建立有限元模型(如圖1，圖2所示)。
按照設(shè)計(jì)荷載：汽-超20，掛車(chē)-120對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，并結(jié)合《大跨徑混凝土橋梁試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定，確定試驗(yàn)主要控制截面和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁靜力學(xué)分析
3．1靜力學(xué)分析及其結(jié)果
經(jīng)過(guò)有限元軟件ANSYS分析，試驗(yàn)跨在最大正彎矩作用下的最大拉應(yīng)力為2.62MPa，位于跨中箱梁底部，見(jiàn)圖3，試驗(yàn)跨在設(shè)計(jì)荷載的作用下，跨中最大拉應(yīng)力為2.89MPa，見(jiàn)圖4。
試驗(yàn)梁跨中和橋墩位置應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。跨中應(yīng)變片由西至東編號(hào)為8-1，8-2，…，81-11。復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁跨中截面(1/2截面)在最大正彎矩工況時(shí)汽車(chē)擺放的位置見(jiàn)圖6，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值見(jiàn)表1。
試驗(yàn)跨撓度測(cè)試點(diǎn)位置見(jiàn)圖9，最大正彎矩工況時(shí)，其對(duì)應(yīng)的撓度見(jiàn)表2。
經(jīng)過(guò)有限元軟件ANSYS分析，試驗(yàn)跨在最大正彎矩作用下的最大撓度為1.914mm，位于跨中位置，見(jiàn)圖8。在設(shè)計(jì)荷載作用下的最大撓度為2.571mm，位于跨中位置，見(jiàn)圖9。
試驗(yàn)結(jié)果分析評(píng)定
a、最大應(yīng)力值小于允許應(yīng)力，符合規(guī)范。
b、殘余應(yīng)力與最大變形之比≤0.2，符合規(guī)范。
c、大橋加載效率0.98，符合規(guī)范。
d、試驗(yàn)跨最大撓度≤L/800，同時(shí)小于理論計(jì)算值，符合規(guī)范要求。
通過(guò)靜載試驗(yàn)，該橋各控制截面在不同荷載作用下，位移與應(yīng)力均小于規(guī)范允許值。雖在跨中位置局部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，但由于是預(yù)應(yīng)力混凝土梁，大橋承載性能儲(chǔ)備較高。卸除荷載后，位移與應(yīng)變恢復(fù)良好，殘余應(yīng)力和殘余變形較小，該結(jié)構(gòu)整體彈性性能良好。
4 結(jié)論
建立了混凝土預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁的有限元模型，分析了其振動(dòng)的靜力學(xué)特性。介紹了混凝土復(fù)雜梁橋力學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容、方法，同時(shí)建立了該橋的ansys有限元模型，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果，為同類(lèi)橋梁分析及實(shí)驗(yàn)提供一定經(jīng)驗(yàn)和范例。為橋梁的竣工驗(yàn)收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供科學(xué)依據(jù)。
