桥梁荷载试验方案布置与优化过程

1、桥梁荷载试验方案布置与优化过程大跨长联连续刚构桥静力荷载试验方案设计与优化交流提纲 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化引言荷载试验是检验与评定桥梁承载能力最直接有效的方法，也是桥梁交（竣）工验收及后期养护的重要科学依据。针对目前荷载试验工况多、耗时长、费用大等缺点，结合高墩大跨长联连续刚构桥的受力特性与影响线特点，在保障结构安全的条件下，对荷载试验的工况进行了优化。第一部分 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化模型建立（110+3200+110）m预应力混凝土变截面箱形连续刚构桥。箱梁为单箱单室横断面，下部结构主墩为钢筋混凝土双肢薄壁墩。单向两车道，按照三车道设计，设计荷载等级为公路级。

2、模型建立在建模前，应首先需要根据分析的目的来选择相应的单元以及模型的简化原则，并应事先划分好施工阶段、结构组、荷载组以及一些必要的计算（如一期、二期恒载）等。一般地，在模型完全建立后，可选择“消隐”功能以显示与校验所建立的有限元模型是否与实际结构一致；还可以按照不同材料、截面等信息选择不同的颜色显示，使得桥梁整体的有限元模型更加清晰、明了。模型建立第二部分 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化内力计算结构自重由程序自动考虑，横隔板与齿板用集中力输入，二期（铺装、栏杆等）用均布荷载考虑。汽车荷载的冲击系数通过输入基频来考虑，由于是单梁模型，故荷载横向分布系数为 3（车道数）0.78（横向折减系

3、数）1.15（偏载系数）0.97（纵向折减系数）=2.61。由于荷载试验是测试桥梁在设计活载作用下结构响应的增量，且预应力对结构的刚度贡献较小以及对结构的基频影响较小，故暂不考虑预应力效应。内力计算运用“特征值分析控制”功能对结构进行动力特性理论计算分析，分析前需将结构的荷载转化为质量，即将结构自重与恒载转化到“Z”上。内力计算主梁正对称竖弯（f1= 0.774 583 Hz）内力计算内力计算第三部分 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化初步设计此次静力荷载试验的加载车拟选取总重为300kN，前轴为60kN，中后轴均为120kN，前中轴距为3.5m，中后轴距为1.5m，加载车荷载采用集中力等

4、效模拟。初步设计初步设计第四部分 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化方案优化以右边跨M+max（E-E截面）为例，将同一截面的内力与挠度加载工况优化为1个工况，优化后的加载车载位布置。方案优化从初步载位布置图可看出，中跨跨中M+max（A-A截面）与6#墩顶附近M-min（B-B截面）2个加载工况的加载车载位布置较为接近，同时，结合截面影响线图形的互补性，即正负弯矩影响线曲线变化趋势恰好相反，可以将A-A与B-B截面2个加载工况优化为1个工况。方案优化以右边跨M+max（E-E截面）为例，通过适当调整加载车载位，将加载车在纵桥向上以控制截面为对称轴进行布置，即将控制截面留出一定距离的“空载

5、段”，而不是将加载车直接加载在控制截面上。方案优化方案优化工况数量控制截面控制项目设计荷载试验荷载加载效率加载车数量备注大工况小工况1A-AM+max内力/ kNm27318.4726513.080.9713合并挠度/ mm-53.276-52.6270.992B-BM-min内力/ kNm-140324.72-139891.921.003C-CM-min内力/ kNm-38280.78-36332.760.9512合并4D-DM+max内力/ kNm27301.8127455.911.01挠度/ mm-52.565-51.0860.975E-EM+max内力/ kNm26852.612682

6、1.181.008合并挠度/ mm-18.312-17.5460.96结语若只根据内力影响线进行加载布置，虽然内力的加载效率能够满足要求，但是挠度往往偏低，而通过考虑内力并兼顾挠度的加载效应，可以将同一截面的内力与挠度加载工况优化为1个工况，避免了对同一截面的重复加载。结语根据高墩大跨长联连续刚构桥结构的受力特点，并结合截面影响线图形的互补性，即正负弯矩影响线曲线变化趋势恰好相反，可以将中跨跨中最大正弯矩与墩顶附近主梁最大负弯矩2个加载工况优化为1个工况。同理，可以将右次边跨L/4附近弯矩与右次边跨跨中最大正弯矩2个加载工况优化为1个工况。结语这样将全桥原来5个大工况、8个小工况最终优化为3个

7、工况，优化后的试验方案不仅可以保证各控制截面的加载效率均达到规范要求，极大地提高了加载车的加载效应，缩短了试验过程的耗时，而且避免了加载车在同一（相近）位置的重复加载，此外，加载车辆较之优化前有所减少，具有一定的经济效益。结语通过适当调整加载车载位，将加载车在纵桥向上以控制截面为对称轴进行布置，将控制截面留出一定距离的“空载段”，而不是将加载车直接加载在控制截面上，避免了加载车直接加载在控制截面上形成内力突变，使得内力在控制截面的一定范围内为一“恒定值”，减少了现场测点布置偏差造成的数据采集误差，提高了试验结果的准确性与可靠性。多跨矮塔斜拉桥静力荷载试验方案设计与优化交流提纲 模型建立 内力计

8、算 初步设计 方案优化引言矮塔斜拉桥又称为部分斜拉桥，是近几十年发展起来的介于连续刚构桥与普通斜拉桥之间的一种新桥型，具有塔矮、梁高、刚度大等特点。就矮塔斜拉桥这一新兴桥型而言，进行成桥静力荷载试验不仅是为检验桥梁结构的整体受力性能，掌握结构的实际工作状态，评估桥梁施工质量与实际承载能力，为桥梁交（竣）工验收提供重要依据，也是为桥梁的健康监测提供完整的初始状态信息，为同类型桥梁结构的受力特性的研究及设计计算积累实桥试验资料。引言为减少桥梁荷载试验耗时及中断交通时间等，以一座四塔五跨单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥为例，结合多跨矮塔斜拉桥结构的受力特点及控制截面影响线的特点，通过考虑内力兼顾挠度的加

9、载效应，截面影响线的图形相似性及互补性，并适当调整加载车载位，将加载车在顺桥向以控制截面为对称轴进行布置，对桥梁静力荷载试验工况进行了优化。优化后将全桥9个荷载试验工况仅通过3次加载即可全部实现，各控制截面的加载效率均能够满足试验规程要求，可为同类型桥梁的荷载试验提供参考。 第一部分 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化模型建立（128+3210+128）m四塔五跨单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，采用墩塔梁固结刚构体系。主梁为变高度斜腹板单箱三室宽幅脊梁，索塔为独柱式钢筋混凝土结构，截面为八边形，每个索塔设置16对斜拉索，全桥共计128根。设计荷载为公路I级（双向6车道），人群荷载为2.5 k

10、N/m2。模型建立在建模前，应首先需要根据分析的目的来选择相应的单元以及模型的简化原则，并应事先划分好施工阶段、结构组、荷载组以及一些必要的计算（如一期、二期恒载）等。一般地，在模型完全建立后，可选择“消隐”功能以显示与校验所建立的有限元模型是否与实际结构一致；还可以按照不同材料、截面等信息选择不同的颜色显示，使得桥梁整体的有限元模型更加清晰、明了。模型建立全桥共划分851个节点、782个单元（含128个桁架单元与654个梁单元）。第二部分 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化内力计算结构自重由程序自动考虑，箱梁横隔板与齿板不考虑刚度贡献仅考虑质量影响，用集中力输入，二期恒载（铺装、栏杆等）

11、用均布荷载考虑，汽车荷载的冲击系数通过输入基频来考虑。根据图示的计算结果并结合试验规程要求，同时考虑需要避开实际桥梁结构中局部加劲（如横隔板等）位置及测点布置的易操作性与合理性，最终选取了如图示的6个截面作为此次静力荷载试验的控制截面。内力计算测点布置第三部分 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化初步设计静力荷载试验的加载车拟选取总重为350kN的车辆，前轴为70kN，中后轴均为140kN，前中轴距为3.5 m，中后轴距为1.5 m，加载车荷载采用集中力等效模拟。根据各控制截面的内力影响线采用动态规划加载法对全桥9个工况（即A-A、C-C、D-D控制截面的弯矩与挠度工况；B-B、E-E控制截

12、面的弯矩工况；F-F控制截面的位移工况）进行加载车初步布置。初步设计加载车纵向最小间距为7 m，横向每排布置4列。图3方案优化工况编号控制截面控制项目设计值试验值加载效率加载车数量A-AM+max内力/kNm73291.5369626.950.9516挠度/mm-91.628-43.9810.48B-BM-min内力/kNm-163773.02-155584.370.9524C-CM+max内力/kNm72938.9369291.980.9516挠度/mm-91.669-44.9180.49D-DM+max内力/kNm74314.4871341.900.9616挠度/mm-46.324-24.

13、0880.52E-EM+max内力/kNm21977.4120878.540.9528F-Ff+max挠度/mm24.30821.3910.8820初步设计各控制截面的内力加载效率（=0.950.96）满足试验规程要求，但是相应截面的挠度加载效率却较低（=0.480.52），初步载位布置不能很好地反映出试验荷载作用下桥梁整体的刚度变化；车辆布置不尽合理，如E-E截面，加载车载位距离相距甚远，不利于现场加载控制，而且每次加载只能够满足一个试验工况，加载车利用率较低，耗时费力，需进行优化。第四部分 模型建立 内力计算 初步设计 方案优化方案优化对于多跨矮塔斜拉桥而言，由于结构自身特点（跨度大、结构

14、柔）的原因，设计荷载作用下主梁的竖向挠度会比较大。对该类结构进行静力荷载试验时，如果仅按照初步加载方案来布置试验荷载，挠度荷载效率往往会偏小。挠度是反映桥梁结构整体刚度的重要指标，因此应考虑内力并兼顾挠度的加载效应。方案优化以右边跨M+max（A-A截面）为例，将同一截面的内力与挠度加载工况优化为1个工况，优化后的加载车载位布置。方案优化从初步载位布置图可看出， 3号索塔底附近最大正弯矩E-E截面与3号索塔顶端最大纵向位移F-F截面2个加载工况的加载车载位布置较为接近，且影响线曲线变化趋势基本一致，可将E-E截面与F-F截面2个加载工况优化为1个工况。方案优化根据多跨矮塔斜拉桥结构的受力特点，

15、并结合截面影响线的图形互补性，即正负弯矩影响线曲线变化趋势恰好相反，可将3号墩墩顶附近主梁最大负弯矩B-B截面与次边跨跨中最大正弯矩C-C截面2个加载工况优化为1个工况。图6方案优化由图3与图6对比可发现，为了兼顾B-B截面达到加载效率，C-C截面的加载车总数有所增加，截面荷载效率看似超限（1.05），但值得注意的是，增加的加载车刚好布置在C-C截面的影响线负值区域，很好地起到了“降低”该截面加载效应的作用。按照图6所示的加载车载位布置进行理论加载时，E-E与F-F截面的荷载效率已达到0.86，故只需对图6的加载布置稍作调整，便可在一个工况里同时满足B-B、C-C、E-E与F-F共计4个控制截

16、面的试验需求。方案优化为了保障加载过程中的安全，只需适当调整加载车的加载先后顺序，即先加载影响线负值位置，再加载影响线正值位置（图中先加载车，再加载32车）。方案优化通过上述二次优化后将全桥原来9个工况最终优化为3个工况。优化后的方案不仅可以保证各控制截面的加载效率均达到试验规程要求，极大地提高加载车的加载效应，缩短了试验过程的耗时，而且可以避免加载过程中局部截面的内力与应力超出设计限值，有效地防止了荷载试验给桥梁结构可能造成的损伤，保障了试验过程及结构的安全。 方案优化以中跨跨中M+max（A-A截面）为例，通过适当调整加载车载位，将加载车在纵桥向上以控制截面为对称轴进行布置，即将控制截面留

17、出一定距离的“空载段”，而不是将加载车直接加载在控制截面上。方案优化工况编号控制截面加载车数量控制项目设计值试验值加载效率A-AM+max20内力/kNm73291.5372510.870.99挠度/mm-91.628-87.9630.96B-BM-min32内力/kNm-163773.02-160738.750.98C-CM+max内力/kNm72938.9375127.101.03挠度/mm-91.669-93.7981.02E-EM+max内力/kNm21977.4122246.921.01F-Ff+max挠度/mm24.30823.0930.95D-DM+max16内力/kNm74314.4876748.231.03挠度/mm-46.324-46.0470.99结语桥梁静力荷载试验在加载车载位布置时，通过考虑内力并兼顾挠度的加载效应，可以将同一截面的内力与挠度加载工况优化为1个工况，避免了对同一截面的重复加载。结语通过截面影响线的图形相似性，即影响线曲线变化趋势基本一致，可以将桥塔底附近最大正弯矩与桥塔顶端最大纵向位移2个加载工况优化为1