水电站进场公路桥梁大吨位荷载试验及仿真分析

研究探索　ｉ　第２８卷２０１０年第７期　水电站进场公路桥梁　大吨位荷载试验及仿真分析　胡　勇　谭冬莲　（１．长沙市城市建设投资开发有限责任公司，湖南长沙４１００００；２．长安大学，陕西西安７１００６４）　【摘要】对某悬链线空腹无铰钢筋混凝土箱形拱桥进行了荷载试验及数据分析，并运用大型有限元程序Ｍｉｄａｓ进行了仿　真分析；对多种工况下桥梁的变形和截面应力实测值与理论值进行了比较。结果表明，桥梁的结构强度和刚度达到设计要求。　【关键词】水电站；拱桥；静载试验；仿真分析　【中图分类号】ＴＵ７１２＋．３　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１６７１—３７０２（２０１０）０７—００５８—０４　Ｌａｒｇｅ—Ｔｏｎｎａｇｅ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｌｏａｄ　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　Ｗａｙ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆ　ａ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ＨＵ　Ｙｏｎｆ　ＴＡ　Ｎ　Ｄｏｎｇ－ｌｉａｎ　．Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｕｒｂａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈａｎｇ＂ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｘｉ＂ａｎ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｗｉｔｈ　ＦＥＭ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｕｓｉｎｇ　Ｍｉｄａｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｏｒ　ａ　ｃａｔｅｎａｒｙ　ｓｐａｎｄｒｅｌ—－ｂｒａｃｅｄ　ｈｉｎｇｅ—－ｌｅｓｓ　ｒｅｉｎ——　ｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｏｘｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｗａｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆ　ａ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ，ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｌｅｃ—　ｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｒｅ　ｓａｔｉｓｆｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅ—　ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｙ　ｓｅｒｖｅ　ａｓ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｂｒｉｄｇｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ；ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ；ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　在通车之前，对桥梁进行荷载试验，目的是检测桥　跨结构的实际工作状态与其在设计荷载作用下的工作　性能是否吻合　５１。笔者根据某水电站进场公路桥梁的　等级为汽车一６３ｔ，其所承受的荷载远大于普通公路桥　梁。所以，在仿真分析时，不能直接套用程序中给定的　荷载等级自动加载，而是要先得到关键截面力学量的　影响线，然后根据影响线来布置汽车荷载。　１）有限元模型的建立　荷载试验，结合大吨位荷载试验的特点，对结构计算和　试验数据进行了分析研究。　１工程概况　采用桥梁结构分析软件ＭＩＤＡＳ／ｃｉｖｉｌ计算，桥跨　结构采用梁单元，全桥分为１４９２个节点、２４０８个单　某连接水电站进场公路左右岸的大桥，是一座悬　链线空腹无铰钢筋混凝土箱形拱桥，桥梁净跨径为　元，模型的材料参数按设计图纸取用（见图２、图３）。　２）荷载效率系数计算　采用上述计算模型，对结构进行了分析计算。按照　该桥的设计荷载，可计算出设计标准荷载下的内力和　试验荷载下的内力，进而得到本次荷载试验的荷载效　１２０ｍ，净矢高为２０ｍ；桥面宽度为１．５ｍ（防撞护栏）　＋１０ｍ（行车道）＋１．５ｍ（防撞护栏）。车道数为双向二车　道：设计荷载为汽车一６３ｔ。大桥总体布置如图１所示。　２仿真分析　该桥用于水电站建设中大型施工车辆通行，荷载　作者简介：胡勇，男，硕士，高级工程师，主要从事水电站工程及其　附属工程结构分析研究。　率系数（见表１）。　由表１可知，该桥所有构件控制截面的试验荷载　效率系数均处于０．８～１．０５范围之内，符合标准要求。　５８一　图１大桥总体布置图　表１　静载试验计划加载工况及荷载效率系数　工况　项　目　试验荷载下　设计荷载下　试验荷载　的计算值①　的计算值②　效率①／②　ｌ　拱顶截面最大　正弯矩（ｋＮ・ｍ）　８５９３．１９　９６５７．６２　０．８９　２　３　拱顶位移（ｍｍ）　ｌ／４截面最大　正弯矩（ｋＮ－８．５９　９００６４２　．－９．４３　９８９２＿３３　０．９１　Ｏ．９１　・ｍ）　４　拱脚最大负弯矩（ｋＮ・ｍ）　－２３５２３４ｌ　－２５２９４ｌ０　０．９３　４所示。全桥设置Ｇ１一Ｇ１、Ｇ２一Ｇ２、Ｇ３一Ｇ３、（３４一　Ｇ４、Ｇ５一Ｇ５共５个应变测试断面，包括拱脚断面、　／４　断面、拱顶、３Ｌ／４断面。测点布置在拱底板及腹板上。　２）拱圈挠度测点的布设　挠度采用精密水准仪测试。挠度测试断面布设在　Ｆ１－－Ｆ１、Ｆ２－－Ｆ２、Ｇ３一Ｇ３、Ｆ３－－Ｆ３、Ｆ４－－Ｆ４断面。测试　断面布置及挠度测点布置如图５所示。　３．２加栽工况及试验荷载　全桥共进行了６个工况的测试，工况Ｉ：Ｇ３一Ｇ３　图３桥梁结构计算模型　断面最不利正弯矩布载（中载），６车；工况ＩＩ：Ｇ３－－Ｇ３　断面最不利正弯矩布载（偏载），６车；工况ＩＩＩ：Ｇ４－－Ｇ４　断面最不利正弯矩布载（中载），６车；工况ＩＶ：Ｇ４－－Ｇ４　断面最不利正弯矩布载（偏载），６车；工况Ｖ：Ｇ５－－Ｇ５　断面最不利正弯矩布载（中载），６车：工况Ⅵ：Ｇ５－－Ｇ５　断面最不利正弯矩布载（偏载），６车。　荷载试验　ｌ控制截面及测点布置　１）拱圈应变测点的布设　在控制截面处粘贴电阻应变片，采用ＣＭ一２Ｂ一　型静态应变测量分析系统测量。应变测试断面如图　图４拱囤截面应变测点布置　．５９．　研究探索　ｉ　＿『　图５拱圈截面挠度测点布置　根据分析结果最终确定，将汽车－－６３ｔ列为桥梁静　载试验的控制荷载，试验时采用四轴载重汽车（总重　辆车的实际轴重、总重、轮间距和轴间距。　４测试结果及分析　５０ｔ）进行等效布载，荷载效率均在０．９左右。为了保证　试验的有效性，试验前对每辆车都严格过磅，记录下各　１）应力测试结果及分析　表２给出了各个工况下拱顶截面应力测试值、理　表２拱顶截面１测点实测值与计算值对照表（单位：ＭＰａ）　、＼　测点～＼　、＼　工况Ｉ　一１．１３８５　一ｌ３５　Ｅ＋ｏｏ　０．８４　工况Ⅱ　ｏ．１７２５　２３９Ｅ一０ｌ　Ｏ．７２　工况Ⅲ　－ｏ．５１７５　－６．５２Ｅ一０ｌ　０．７９　工况Ⅳ　ｏ．０３４５　４＿２４Ｅ－０２　０．８ｌ　工况Ｖ　－ｏ．７２４５　－８．９１　Ｅ－０ｌ　０．８１　工况Ⅵ　０．０ｌ３８　３．６４Ｅ一０２　０．３８　实测值　１　理论值　校验系数　实测值　２　理论值　校验系数　实测值　一０．９６６　一１．Ｏ６　Ｅ＋ｏ０　Ｏ．９　Ｊ　－０．７５９　０．０６９　８．７３Ｅ—Ｏ２　０．７９　一Ｏ．１３８　－０．０６９　—８．１６Ｅ－０２　０．８５　－０．０３４５　０．０３４５　５．４３Ｅ－０２　０．６３　０．０３４５　－０．０３４５　－９．６ｌＥ－０２　０３６　－０．０６９　０．０３４５　５．５７Ｅ—Ｏ２　０．６２　Ｏ．０３４５　３　理论值　校验系数　实测值　一８．９５Ｅ一０ｌ　Ｏ．８５　－０．８２８　－９．８５Ｅ一０ｌ　０．８４　－０．６９　一１．１０Ｅ＋ｏｏ　０．６３　一３．６７Ｅ—Ｏｌ　Ｏ＿３８　—０．６５５５　－７．２５Ｅ－０１　０．９０　—０．５１７５　－５．４７Ｅ－０１　Ｏ．９５　－６．７７Ｅ－０２　Ｏ．５１　－０．０６９　－７．２６Ｅ—Ｏ２　０．９５　—０．０６９　－８．４５Ｅ－０２　０．８２　３．５７Ｅ一０２　０．９７　０．１３８　２．７ＯＥ—Ｏ１　０．５１　０．０３４５　７．１ＯＥ－０２　０．４８　—９．９０Ｅ－０２　０．７０　－０．０６９　－９．７４Ｅ－０２　０．７１　—０．１Ｏ３５　－２．０２Ｅ－０１　０．５ｌ　４－３５Ｅ－０２　０．７９　０．０３４５　１－２２Ｅ－０１　０－２８　－０．０６９　－９．９０Ｅ－０２　Ｏ．６９　４　理论值　校验系数　实测值　５　理论值　校验系数　实测值　６　理论值　－０．８２８　一１．０６　Ｅ＋【ｘ】　—０．０６９　一７－２１　Ｅ－０２　一Ｏ．０３４５　—９．１ＯＥ－０２　－０．０３４５　－９．ｏｏＥ－０２　－０．６９　—１．Ｏ９Ｅ＋ｏ０　－０．０３４５　－５＿３６Ｅ－０２　校验系数　实测值　７　理论值　０．７８　－０．７５９　－８．８６Ｅ—Ｏｌ　０．９６　－０　０３４５　－７＿３１Ｅ－０２　Ｏ．３８　－０．０６９　－９．５５Ｅ－０２　０＿３８　－０．０３４５　—４．４６Ｅ－０２　Ｏ．６３　—０．１Ｏ３５　一１．Ｏ８Ｅ一０ｌ　０．６４　－０．０３４５　－４－３３Ｅ－０２　校验系数　实测值　８　理论值　０－８６－　－０．７９３５　一９．１２Ｅ－０１　０．４７　－０．０３４５　—９．３５Ｅ－０２　Ｏ．７２　－０．０３４５　－８．７３Ｅ－０２　Ｏ．７７　－０．０３４５　－４．Ｏ６Ｅ－０２　Ｏ．９６　－０．７２４５　—１．Ｏｌ　Ｅ＋００　Ｏ．８Ｏ　－０．０３４５　－４．７９Ｅ一０２　校验系数　实测值　９　理论值　Ｏ．８７　一Ｏ．９３１５　一１．Ｏ７Ｅ＋ＯＨＤ　０３７　一Ｏ．１０３５　—ｌ＿２２Ｅ—Ｏｌ　Ｏ＿３９　－０．０６９　一８．２６Ｅ—Ｏ２　０　５　－０．０３４５　－６．７７Ｅ－０２　Ｏ．７２　－０．０６９　－９．８５Ｅ－０２　０．７２　－０．Ｏ６９　－７．０４Ｅ－０２　校验系数　实测值　０．８７　－０．６９　０．８５　－０．１０３５　０．８４　一Ｏ．１０３５　Ｏ．５１　—０．０３４５　Ｏ．７Ｏ　－０．７２４５　Ｏ．９８　一Ｏ．１０３５　１０　理论值　校验系数　一１．１５　Ｅ＋ｏｏ　Ｏ．６　—１．４８Ｅ一０ｌ　Ｏ．７０　—１．５９Ｅ一０ｌ　Ｏ．６５　－９－３７Ｅ－０２　Ｏ．３７　一１．１５　Ｅ＋ｏｏ　０．６３　一１．２１Ｅ－０１　Ｏ．８６　．６０．　ｏ　叭舶　舶　Ｊ　¨　舶　表３主桥中载工况下挠度实测值与计算值的对照表（单位：ｍｍ）　～—＼工况　＼　测点　Ｆ１　Ｆ２　Ｇ３　Ｆ３　Ｆ４　、＼　实测值　－２　—２　－４　—２　—２　Ｉ　理论值　校验系数　－２．６４４　Ｏ．７６　－３．０５　Ｏ．６６　－６．９５２　０．５７　－２．５５ｌ　０．７８　－２．３９７　０．８３　实测值　Ⅲ　理论值　校验系数　实测值　Ｖ　理论值　校验系数　－４　一４．４５２　Ｏ．９Ｏ　－４　一４．３３９　０．９２　－３　－３．８８８　０．７７　－３　－３．９４２　Ｏ．７６　一ｌ　一ｌ＿２８１　Ｏ．７８　一ｌ　一１．２７７　０．７８　０　０．６７５　Ｏ　Ｏ　０．５０７　Ｏ　ｌ　１．９２８　０．５２　２　２．２５２　Ｏ．８９　论计算值及校验系数。　图６给出了拱顶截面应力工况Ｉ的实测值与理论　值的比较结果。　５结　语　１）各工况的实测值与理论计算值吻合良好，表明　结构仿真分析模型能很好地反映结构的实际状态。　２）该桥静载试验共进行了６个工况的加载试验，　荷载效率系数在０．８９～０．９３之间，属于基本荷载试验，　试验结果能充分反映桥梁的实际工作状况。综合分析　＋实测值　成桥状态和试验荷载作用下的结构响应，桥梁结构在　一理论值　设计规定的荷载作用下，各主要受力构件始终处于安　全状态，并且结构变形控制在容许范围内，可以满足实　际使用要求。　３）结构应变和变形的实测值与计算值变化趋势吻　图６工况Ｉ拱顶截面１测点的实测值与理论值对比　合良好，校验系数均小于１，即计算理论值大于实测　值，表明结构强度和刚度达到设计要求，并有一定的承　载潜力。　４）试验荷载（相当于汽车一６３ｔ）作用下，结构的　应力和变形都较小，且几乎没有残余应力和残余变　由测试数据与计算数据的对比可以看出，测试应　力与计算应力变化趋势相当吻合，校验系数均小于１，　亦即实测值要比计算值稍小，表明结构刚度满足设计　要求并有一定的承载潜力。　２）挠度测试结果及分析　表３给出了主桥中载工况下各挠度测点的测试　形，表明结构在试验荷载作用下，始终处于弹性工作　范围。　值、理论计算值及校验系数。　由实测数据与计算数据的对比可以看出，两者　参考文献　［１］张秋陵，肖光宏．奉节长江大桥成桥荷载试验研究［Ｊ］．世界桥梁，　２００９，（１）　４６－４８．　的变化趋势一致性良好。理论计算值略大于实测值，　这是因为计算时没有考虑桥面铺装层的强度贡献。　这说明，实际结构的刚度大于设计刚度，有一定的承　［２］周安，杨庆印，郝成义．基于静载试验的桥梁结构性能评价［Ｊ］＿工程　与建设，２００８，２２（５）．６９５－－６９７．　载潜力。　试验中，卸载测试所有测点的应变和变形后，所有　［３］刘劲草，王永光．钢筋混凝土刚架拱桥荷载试验［Ｊ］＿吉林交通科　技，２００９，（１）４Ｏ一４２．　［４］谭冬莲，宁立，游金兰．预制预应力混凝土空心板梁施工现场的静　载试验研究［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２００７，２４（４）：５１－５３．　［５］ＹＣ４－－／１９８２，大跨径混凝土桥梁的试验方法［ｓ］．　残余变形均在ｌｍｍ以内，大部分测点卸载后的变形恢　复到初始值，表明结构基本不存在残余变形，说明整个　结构受力处于弹性工作范围内。另外，结构所有变形值　均符合规范中对结构变形的限制。　．６ｌ—