CN110095274B - 一种考虑非弹性变形的钢栈桥静载试验评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑非弹性变形的钢栈桥静载试验评价方法，属于桥梁承载能力试验技术领域。该方法为：先以部分加载量消除钢栈桥非弹性变形，再根据位移变化值找出试验过程中弹性阶段的起点后，用剩余加载量引起的桥梁效应变化值的校验系数来评价钢栈桥承载能力，其中，桥梁效应变化值包括应变变化值和位移变化值。该法充分考虑钢栈桥的结构特点，能更加有效客观地评价钢栈桥承载能力，减少误判，试验时采用试验加载车进行适当预压后即可进行，能够减少资源浪费，提高试验的安全性，可广泛应用于钢栈桥通过静载试验评价其承载能力领域。

Description

一种考虑非弹性变形的钢栈桥静载试验评价方法

【技术领域】

本发明涉及属于桥梁承载能力试验技术领域，具体涉及一种考虑非弹性变形的钢栈桥静载试验评价方法。

【背景技术】

在桥梁建设领域，在桥梁正式建成之前，桥梁两侧往往存在人流走向、货物运输等需要，此时一般会在桥梁不远处架设一座钢栈桥以满足桥梁施工的需求。钢栈桥架设完成后往往需要通过静载试验以评价钢栈桥的承载能力是否满足设计要求，寻找有效评价钢栈桥静载试验的方法是非常有必要的。

钢栈桥静载试验评价当前的普遍做法是：⑴理论计算：根据设计荷载求出桥梁控制截面内力，作为静载试验加载控制的依据，然后通过车辆荷载或其他荷载分级加载至桥梁内力满足规范要求，进而求出理论加载值；⑵数据采集：在静载试验开始时，加载前，读取控制截面的应力值ε₀和位移值H₀；第一级加载时,读取控制截面的应力值ε₁和位移值H₁；第i级加载时,读取控制截面的应力值ε_i和位移值H_i；最终第N级加载时,读取控制截面的应力值ε_N和位移值H_N；卸载后,读取控制截面的应力值ε_N-0和位移值H_N-0。⑶数据处理：通过⑵中实测值求出：应变弹性值ε_弹性值＝ε_N-ε_n-0；位移弹性值H_弹性值＝H_N-H_n-0；应变残余值ε_残余值＝ε_N-0-ε₀；位移残余值H_残余值＝H_N-0-H₀；进而求出应变校验系数η_应变＝ε_弹性值/ε_计算值、位移校验系数η_位移＝H_弹性值/H_计算值(其中ε_计算值和H_计算值分别为相对应加载工况下测试截面应变和位移的计算值)、相对残余应变S_应变＝(ε_N-0-ε₀)/(ε_N-ε₀)、相对残余位移S_位移＝(H_N-0-H₀)/(H_N-H₀)。⑷静载试验评价：通过应变校验系数η_应变、位移校验系数η_位移、相对残余应变S_应变和相对残余位移S_位移来评价静载试验。然而，该做法用在评价钢栈桥承载能力上则存在诸多不妥之处：其一。忽略了钢栈桥的结构特点，即钢栈桥的连接构件众多，成品尺寸和设计可能存在差别，导致构件之间往往存在不同程度的间隙，且构件一般通过销子连接，销子与销孔间亦存在间隙。以上种种造成钢栈桥结构本身存在着较大的非弹性变形，致使实测效应(应变、位移)往往大于因车辆荷载或其他荷载在桥梁结构上直接产生的效应，尤其是位移(其包含了很大一部分非弹性变形值)，进而导致校验系数η偏大，容易造成误判。其二。其结构本身特点导致卸载后应变、位移残余值较大，从而使得相对残余应变S_应变和相对残余位移S_位移偏大，从而使得其值不满足规范要求。其三，是为了消除结构本身的非弹性变形且使得桥梁结构荷载效率系数满足规范要求，需要更多的或者更重的车辆荷载，造成物质和能源浪费，既不经济，也不安全。

【发明内容】

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种考虑非弹性变形的钢栈桥静载试验评价方法，该法充分考虑钢栈桥的结构特点，能更加有效客观地评价钢栈桥承载能力，减少误判，可广泛应用于钢栈桥通过静载试验评价其承载能力领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种考虑非弹性变形的钢栈桥静载试验评价方法，该方法为：先以部分加载量消除钢栈桥非弹性变形，再根据位移变化值找出试验过程中弹性阶段的起点后，用剩余加载量引起的桥梁效应变化值的校验系数来评价钢栈桥承载能力，其中，桥梁效应变化值包括应变变化值和位移变化值。

本发明中，进一步地，所述方法按以下步骤进行：

⑴根据待试钢栈桥的相关资料建立钢栈桥有限元数值模型，制定静载试验方案；

⑵由静载试验方案，在钢栈桥关键位置，即跨中最大正弯矩截面、主跨支点最大负弯矩截面处埋设传感器，现场分级加载，消除钢栈桥非弹性变形；读取每级加载工况下桥梁效应值，即应变变化值和位移变化值，并根据位移变化值找出试验过程中弹性阶段的起点；

⑶整理分析数据，以剩余加载量引起弹性形变，通过弹性阶段加载量引起应变变化值的校验系数η_{应变变化值}、位移变化值的校验系数η_{位移变化值}来评价钢栈桥承载能力。

本发明中，进一步地，所述步骤⑵中现场分级加载是根据试验荷载总量和荷载增量分级进行，分级数不低于5级；第i级加载时，读取控制截面的应变值ε_i和位移值H_i；第i+1级加载时，读取控制截面的应变值ε_i+1和位移值H_i+1；假设此级加载工况下理论计算位移变化值为△H_理论值，若有△H_实测值＝H_i+1-H_i≤△H_理论值，则认为第i级为该结构弹性变形起点。

本发明中，进一步地，步骤⑶中剩余加载量引起应变变化值η_{应变变化值}和位移变化值的校验系数η_{位移变化值}，按以下公式计算确定：

η_{应变变化值}＝△ε_变化值/△ε_理论值

η_{位移变化值}＝△H_变化值/△H_理论值

式中，△ε_变化值＝ε_N-ε_i；△H_变化值＝H_N-H_i；

ε_N为第N级加载工况即最终加载工况下测试截面的应变值，ε_i为步骤(2)中确定的弹性阶段起点即第i级加载工况下测试截面的应变值；H_N为第N级加载工况即最终加载工况下测试截面的位移值，H_i为步骤(2)中确定的弹性阶段起点即第i级加载工况下测试截面的位移值；△ε_理论值、△H_理论值分别为相应加载工况下应变和位移变化的理论计算值。

本发明中，进一步地，所述步骤(1)中待试钢栈桥的相关资料包括设计图纸、竣工图、施工记录、监理日志、竣工资料、养护维修的既有资料、桥梁历次检测试验的资料、加固维修的资料以及到钢栈桥现场考察到的表观状况、周围环境状况。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

⑴本发明的方法充分考虑了钢栈桥的结构特点，即：钢栈桥的连接构件众多，成品尺寸和设计可能存在差别，导致构件之间往往存在不同程度的间隙，且构件一般通过销子连接，销子与销孔间亦存在间隙，以上种种造成钢栈桥结构本身存在着较大的非弹性变形，致使实测效应(应变、位移)往往大于因车辆荷载或其他荷载在桥梁结构上直接产生的效应，尤其是位移(其包含了很大一部分非弹性变形值)，进而导致校验系数η偏大，容易造成误判。由此，本发明的方法通过部分加载量消除钢栈桥非弹性变形，再根据位移变化值找出试验过程中弹性阶段的起点后，用剩余加载量引起的桥梁效应变化值的校验系数来评价钢栈桥承载能力，由此可以使校验系数η更准确，减少误判。

⑵本发明的方法考虑了结构本身特点，使得相对残余应变S_应变或相对残余位移S_位移能够满足规范要求。

⑶现有评价方法为了消除结构本身的非弹性变形且使得桥梁结构荷载效率系数满足规范要求，需要更多的或者更重的车辆荷载，造成物质和能源浪费，既不经济，也不安全。本发明的方法通过试验加载车进行适当预压后即可进行，能够减少资源浪费，提高试验的安全性。

【附图说明】

图1是钢栈桥截面图；

图2为钢栈桥有限元模型图。

【具体实施方式】

为了更清楚地表达本发明，以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。

1.本发明所针对的技术问题：

通过现有方法计算的应变校验系数η_应变、位移校验系数η_位移、相对残余应变S_应变和相对残余位移S_位移来评价钢栈桥静载试验，其忽略了钢栈桥的结构特点，即钢栈桥的连接构件众多，成品尺寸和设计可能存在差别，导致构件之间往往存在不同程度的间隙，且构件一般通过销子连接，销子与销孔间亦存在间隙。以上种种造成钢栈桥结构本身存在着较大的非弹性变形，致使实测效应(应变、位移)往往大于因车辆荷载或其他荷载在桥梁结构上直接产生的效应，尤其是位移(其包含了很大一部分非弹性变形值)，进而导致校验系数η偏大，容易造成误判；且卸载后应变、位移残余值较大，从而使得相对残余应变S_应变和相对残余位移S_位移偏大。为了消除结构本身的非弹性变形且使得桥梁结构荷载效率系数满足规范要求，需要更多的或者更重的车辆荷载，造成物质和能源浪费，既不经济，也不安全。

2.设计思路

本发明是考虑非弹性变形的钢栈桥静载试验评价方法，根据试验工程中弹性阶段桥梁效应(应力、位移)变化值的校验系数来评价钢栈桥承载能力，具体步骤如下：

⑴理论计算：根据设计荷载计算出桥梁控制截面内力，作为静载试验加载控制弯矩的依据，然后通过车辆荷载或其他荷载分级加载至桥梁内力满足规范要求，进而求出理论加载值。

⑵数据采集：在钢栈桥关键位置，即跨中最大正弯矩截面、主跨支点最大负弯矩截面处埋设传感器，加载前，读取控制截面的应力值ε₀和位移值H₀；第一级加载时,读取控制截面的应力值ε₁和位移值H₁；第i级加载时,读取控制截面的应力值ε_i和位移值H_i；第i+1级加载时,读取控制截面的应力值ε_i+1和位移值H_i+1；最后一级，即第N级加载时,读取控制截面的应力值ε_N和位移值H_N；卸载后,读取控制截面的应力值ε_N-0和位移值H_N-0。要求分级数不应低于5级，且分别读取控制截面每级加载时的应力值ε和位移值H。

⑶数据处理：通过⑵中实测值求出：应变变化值△ε_实测值＝ε_i+1-ε_i，位移变化值△H_实测值＝H_i+1-H_i；若有△H_实测值≤△H_理论值(△H_理论值为相应加载工况下理论计算位移变化值)，则认为第i级为弹性阶段起点。求出弹阶段加载量引起的应变变化值校验系数η_{应变变化值}和位移变化值的校验系数η_{位移变化值}。

η_{应变变化值}＝△ε_变化值/△ε_理论值

η_{位移变化值}＝△H_变化值/△H_理论值

式中，△ε_变化值＝ε_N-ε_i；△H_变化值＝H_N-H_i；ε_N为第N级加载工况即最终加载工况下测试截面的应变值，ε_i为步骤(2)中确定的弹性阶段起点即第i级加载工况下测试截面的应变值；H_N为第N级加载工况即最终加载工况下测试截面的位移值，H_i为步骤(2)中确定的弹性阶段起点即第i级加载工况下测试截面的位移值；△ε_理论值、△H_理论值分别为相应加载工况下应变和位移变化的理论计算值。

⑷静载试验评价：通过弹性阶段加载量引起应变变化值的校验系数η_{应变变化值}、位移变化值的校验系数η_{位移变化值}来评价钢栈桥承载能力。

3.操作步骤

⑴根据设计资料等建立钢栈桥有限元数值模型，制定静载试验方案；待试钢栈桥的相关资料包括但不限于设计图纸、竣工图、施工记录、监理日志、竣工资料、养护维修的既有资料、桥梁历次检测试验的资料、加固维修的资料以及到钢栈桥现场考察到的表观状况、周围环境状况；该步骤采用现有的技术规范进行，不是本发明研究的重点，故在此不展开说明。

⑵由试验方案，在钢栈桥关键位置(跨中最大正弯矩截面、主跨支点最大负弯矩截面)埋设传感器，现场分级加载，读取每级加载工况下桥梁效应(应变、位移)值，并根据位移变化值找出试验过程中弹性阶段的起点；

⑶整理分析数据，以弹性阶段加载量引起效应(应变、位移)变化值的校验系数η_变化值来评价钢栈桥承载能力。

为进一步说明本发明如何实施，以下通过应用实例具体说明，应用实例参照上述步骤进行。

应用实例

某钢栈桥设计为13跨，跨径组合为13×12.00m，桥梁全长156.00m，桥面净宽3.84m，主要承重构件采用“321贝雷梁”，布置为双排单层形式。桥墩采用双排4根

钢管桩，墩上横向承载梁采用2根I56a工字钢，横向承载梁上架设4排贝雷梁，贝雷梁下弦杆顶面铺设28cm高的工字钢作为横向分配梁，横向分配梁上满铺装配式800型和280型桥面板。拟对其进行静载试验以确定其承载能力，通过有限元分析确定其控制截面及相应工况，如图1、图2所示。

对于装配式贝雷梁钢栈桥，其结构本身一般存在较大的非弹性变形。理论上通过多次较大荷载的预压可很多程度上消除此类非弹性变形，但一般荷载试验条件下，很难做到多次预压，同时过大重量的预压在试验时也是不安全的做法。故本次静载试验只是通过试验加载车进行适当预压后进行。

表1、表2分别为相应工况下的位移实测值和理论计算值、应变实测值和理论计算值。

根据常规方法计算得工况1+5应变平均值的校验系数η_应变＝(146-16)/132＝0.990、位移平均值的校验系数η_位移＝(7.51-0.97)/5.60＝1.168、最大相对残余应变S_应变＝20/97＝20.6％(1个测点)和最大相对残余位移S_位移＝1.21/5.76＝21.0％(1个测点)；

根据本发明的方法，根据实测值求出位移变化值△H_实测值＝H_i+1-H_i，当△H_实测值≤△H_理论值，则认为第i级为弹性阶段起点。

工况1+3时，△H_实测值＝(H₃-H₂)_变化值＝(5.41-4.24)>△H_理论值(H₃-H₂)_理论值＝(3.36-2.24)，说明该工况中结构存在非弹性变形；同理计算工况1+4：△H_实测＝(H₄-H₃)_变化值＝(6.49-5.41)<△H_理论值＝(H₄-H₃)_理论值＝(4.48-3.36)，说明工况3为弹性阶段起点，则可以依据工况3～工况5的效应(应变、位移)变化值的校验系数来评价该钢栈桥的承载能力。

根据本发明的方法，依据公式η_变化值＝△S_变化值/△S_理论值计算确定静载试验中效应(应变、位移)变化值的校验系数。应变变化值的校验系数η_{应变变化值}＝(146-98)/(132-79)＝0.917，位移变化值的校验系数η_{位移变化值}＝(7.51-5.41)/(5.60-3.36)＝0.936。

从计算结果可知：常规方法忽略了钢栈桥的结构特点，即钢栈桥的连接构件众多，成品尺寸和设计可能存在差别，导致构件之间往往存在不同程度的间隙，且构件一般通过销子连接，销子与销孔间亦存在间隙。以上种种造成钢栈桥结构本身存在着较大的非弹性变形，致使实测效应(应变、位移)往往大于因车辆荷载或其他荷载在桥梁结构上直接产生的效应，尤其是位移(其包含了很大一部分非弹性变形值)，进而导致计算的应变校验系数η_应变(0.990)、位移校验系数η_位移(1.168)偏大，不满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)中规定校验系数小于1的要求，容易造成误判。本发明的方法依据效应(内力、位移)变化值的校验系数(应变变化值的校验系数η_{应变变化值}＝0.917，位移变化值的校验系数η_{位移变化值}＝0.936)来评价钢栈桥静载试验更为科学。

表1工况1时1#跨A截面位移测试结果一览表(单位：mm)

表2工况1时1#跨A截面应变测试结果一览表(单位：με)

注：表中未列出工况1+1级加载数据

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (2)

1.一种考虑非弹性变形的钢栈桥静载试验评价方法，其特征在于，该方法为：先以部分加载量消除钢栈桥非弹性变形，再根据位移变化值找出试验过程中弹性阶段的起点后，用剩余加载量引起的桥梁效应变化值的校验系数来评价钢栈桥承载能力，其中，桥梁效应变化值包括应变变化值和位移变化值；所述方法按以下步骤进行：

⑴ 根据待试钢栈桥的相关资料建立钢栈桥有限元数值模型，制定静载试验方案；

⑵ 由静载试验方案，在钢栈桥关键位置，即跨中最大正弯矩截面、主跨支点最大负弯矩截面处埋设传感器，现场分级加载，消除钢栈桥非弹性变形；读取每级加载工况下桥梁效应值，即应变变化值和位移变化值，并根据位移变化值找出试验过程中弹性阶段的起点；

⑶ 整理分析数据，以剩余加载量引起弹性形变，通过弹性阶段加载量引起应变变化值的校验系数η_{应变变化值}、位移变化值的校验系数η_{位移变化值}来评价钢栈桥承载能力；

所述步骤⑵ 中现场分级加载是根据试验荷载总量和荷载增量分级进行，分级数不低于5级；第i级加载时，读取控制截面的应变值ε_i和位移值H_i；第i+1级加载时，读取控制截面的应变值ε_i+1和位移值H_i+1；假设此级加载工况下理论计算位移变化值为△H_理论值，若有△H_实测值=H_i+1-H_i≤△H_理论值，则认为第i级为结构弹性变形起点；

步骤⑶中剩余加载量引起应变变化值的校验系数η_{应变变化值}和位移变化值的校验系数η_{位移变化值}，按以下公式计算确定：

η_{应变变化值}=△ε_变化值/△ε_理论值

η_{位移变化值}=△H_变化值/△H_理论值

式中，△ε_变化值=ε_N-ε_i；△H_变化值=H_N-H_i；

ε_N为第N级加载工况即最终加载工况下测试截面的应变值，ε_i为步骤（2）中确定的弹性阶段起点即第i级加载工况下测试截面的应变值；H_N为第N级加载工况即最终加载工况下测试截面的位移值，H_i为步骤（2）中确定的弹性阶段起点即第i级加载工况下测试截面的位移值；△ε_理论值、△H_理论值分别为相应加载工况下应变和位移变化的理论计算值。

2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于：所述步骤（1）中待试钢栈桥的相关资料包括设计图纸、竣工图、施工记录、监理日志、竣工资料、养护维修的既有资料、桥梁历次检测试验的资料、 加固维修的资料以及到钢栈桥现场考察到的表观状况、周围环境状况。

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