石拱桥静载试验中评定结果的若干不确定性因素探讨

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摘要:在对石拱桥进行静载试验时,难免会引入各种各样的误差,其将直接影响到桥梁结构评定的可靠性。文章从理论计算模型、砌体材料性质、试验加载过程、测试系统等方面对静载试验评定结果不确定性因素进行了探讨,以供石拱桥的试验检测、加固设计等参考。

关键词:石拱桥;静载试验;不确定性因素;试验加载

中图分类号:U448文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0007-02

石拱桥因其用料省、便于就地取材、结构巧而坚固等特点,而广泛分布各地。静载试验是目前比较普遍采用的评定既有桥梁承载能力的方法,而静载试验方案的布置与计算模型密切相关,这是由于静载试验前需要建立计算模型,进而通过计算得到影响线,再进行加载方案的设计和理论值计算,因此计算模型的可靠性对静载试验的评定尤为重要。其次,由于受到石拱桥结构本身和石材材料性质等不确定因素的影响,也难免会给计算分析带来误差。再者,石拱桥静载试验加载的合理性与否也会引起不确定性,甚至有时可能是错误的加载方案,需要对其进行探讨。另外,测试系统本身具有一定的不确定性,也会对结构产生一些影响。因此本文将围绕以上几个方面对石拱桥静载试验中的一些不确定性因素进行探讨,以便对桥梁试验检测提供适当的参考。

一、理论计算模型

石拱桥的计算模型经历了漫长的发展历史,从最开始的经验法,其主要是基于极限分析的理论来对拱桥进行设计,主要划分四个方面的设计内容:拱形选择、关键拱截面设计、基础桥台和桥墩设计、翼墙设计。由于经验法比较粗略的结构受力分析,因此基于解析方法的梁模型逐渐发展起来,这种方法主要在计算机计算还不流行的时候使用;近几十年来,有限元方法由于其计算效率高,计算方法简便,而被广大工程师用于石拱桥的设计和加固等计算分析之中,这种方法主要是将石料结构处理为均匀材料,然后将其离散化,但是石拱桥是由各种砌石通过砌缝连接组合而成,因此在宏观结构上的结构已经是离散化的,将会引起计算误差。结合砌体结构特点而出现的离散元方法,已经被许多学者所关注,Cundall等人则成功地运用离散元来模拟砌体。虽然该方法需要更多的材料参数,建模难度将增大,计算时间效率低下,可能会带来更多的不确定性,但无疑给砌体结构的(计算还是建模)提供了新的手段。这种方法在岩土工程领域已经广泛运用,但是在国内,对于石拱桥等圬工结构桥梁的模拟国内还比较少。因此,本文以有限元模型为主要探讨对象,对石拱桥计算模型中的各种不确定因素进行探讨。主要从计算模型的简化处理、荷载的横向分布、边界条件、桥面铺装等方面进行分析。

首先,计算模型是将实际的石拱桥抽象为合适的计算模型,一般假定结构处于线弹性小变形的阶段,砌石和砌缝等离散结构被大大简化为各向均匀、连续变化材料;其次,主拱圈是主要的受力构件,对其采用梁单元模型,若考虑得更为精细,还可以采用曲梁单元、板单元和实体单元等;再者,若存在拱上建筑,如立柱、横墙等,将影响石拱桥结构的布置形式,进而影响到主拱圈的受力情况,甚至有可能会引起关键截面受力性质的变化,拱上建筑与主拱圈联合受力的程度是不确定性的。譬如,由于石拱桥结构的砌石为脆性材料,结构有必要进行极限分析,塑性铰出现的位置是首先要分析确定的量,而塑性铰的位置与结构的内力分布相关。对于石拱桥是由大量的单个砌体构造而成,局部地方若出现异常现象,如在实际结构在运营阶段时,外载荷作用下,主要截面的受力状况是极其复杂的,有可能出现负弯矩,也有可能出现正弯矩,砌缝也可能出现开裂,采用有限元方法是很难对其进行模拟的。

其次,荷载的横向分布情况,在梁桥等结构得到广泛的关注,计算方法已经比较成熟。但在实际桥梁结构中,荷载横向分布情况却是非常复杂的,与桥梁截面分布情况、桥面铺装等均有关。石拱桥与梁桥的重要区别就是填料,整个桥面铺装都是作用在填料上,其荷载的横向分布情况将更为复杂。同时,由于石拱桥的主拱圈的横截面一般是由几块砌石组成,其整体性较差,影响到载荷的分布,因此很难用解析的方法进行探讨。

桥面铺装、栏杆、填料等一直是石拱桥乃至于拱桥的重要研究内容。首先,桥面铺装和栏杆在梁桥等结构中认为是具有桥梁潜在承载力,为了安全因素,不考虑其对结构的贡献。但是桥面系等构造物可能会引起拱桥内力变化,其与主拱是如何进行联合受力的,联合的紧密程度又如何,拱上填料由碎石等杂物混合,而桥面系等的荷载又是通过它传递给主拱,其力学特性很难用一般的有限元单元进行模拟。主拱受力情况与其密切相关,很容易受其轻微变化而发生较大的变化。

在计算模型时,边界条件和连接条件的处理对模型的计算精度也有非常重要的影响,如三铰拱,一般处理成为理想的铰支撑条件,认为转动约束完全放松,而在实际结构中的铰支撑不仅提供了位移约束,而且还可能对旋转约束施加一定的限制,进而引起结构内力分配的变化。

二、砌体的材料性质

砌体的材料性质是计算模型的重要参数。但是该类材料的随机很大,与许多因素相关。以弹性模量为例,其取值与砂浆的密切相关,《公路圬工桥涵设计规范》(JTGD61-2005)给出的弹性模量取值范围为4.0～22.0GPa,最大与最小之间相差了5.0倍以上;而且砂浆性质随时间的变化而变化,因此计算模型中的弹性模量是不确定量。而其中弹性模量是影响结构刚度的重要因素之一,其不确定性将直接影响石拱桥这类超静定结构的内力分配。再者砌石的强度也是随着时间的推移而逐渐被风化,其材料强度将会发生相应的变化。

三、试验加载过程

静载试验方案是根据计算所得影响线进行加载方案的布置,进而计算得到理论值和加载控制值。因此,计算模型的可靠性对实际的试验就显得尤为重要。石拱桥乃至所有拱桥的弯矩和轴力影响线随着桥梁纵轴线的变化而变化,有可能出现正负交替变换的现象,尤其是跨中截面的弯矩影响线变化尤为明显,一般在跨中附近区域内,正弯矩变化比较明显,突然变得很大,然后又变为负弯矩,即影响线大小表现出对桥跨位置十分敏感,若处理不好,有可能本来进行正弯矩加载,可能实际试验结果为负弯矩响应,这对试验加载方案的布置无疑提出了更高的要求。这是区别梁桥等结构的重要特征。同时,静载试验过程中,在进行某个加载工况时,该加载荷载量在该加载位产生的对某个试验截面效应不应超过理论控制,而且要求在其它截面产生的效应也应在其对应的理论控制范围内,也就要求在进行加载方案的设计时,计算分析要求更加精细。否则,可能引起一些错误的结论。

由前面分析可知,拱桥结构的影响线大小对位置比较敏感,也说明测试截面的响应量与在荷载大小密切相关,而在试验加载过程中,试验荷载大小也很难控制在理想加载控制范围内。因此需要严格控制加载载荷的大小。

同时,对于新桥进行静载试验时,需要进行预加载,但是砌缝不可能完全被压实,影响结构的响应。

四、测试系统

测试系统也将会给试验带来一些误差。首先,各种测试设备本身的稳定性和不确定度会给试验结果带来一些影响,如测试应变的灵敏度可能小于应变的测试。同时,在贴应变片时,是应该将其直接贴在砌体上,还是应当跨砌缝张贴,这一直是值得讨论的问题。测试试验是在户外进行,各种仪器设备也可能受到温度的影响。

五、结论与建议

本文分析了影响静载试验测试结果的各种不确定性因素。首先,主要讨论了计算模型可能由于简化处理等不当引起计算误差,进而影响到测试方案的设计,这主要是由于拱桥的弯矩和轴力影响线对拱桥的结构形式、拱上建筑、桥面铺装等非常敏感,若其中一项发生改变将会直接影响到影响线的变化趋势。拱桥的影响线随位置的变化非常明显,有可能出现正负交替现象,直接影响到加载方案中的加载位置和加载量的大小。其次是石拱桥的砌体材料性质也是不确定的,也会给计算模型带来不确定性。最后,讨论了在测试过程中由于加载位置和测试系统本身也将会对测试结果产生一些不确定性因素。因此,静载试验结果的可靠性,与计算模型密切相关,需要对不确定因素的修正和反复考证计算模型,并与离散元进行对比分析,不过现在比较流行的方法就是采用实测数据对模型进行修正,可以提高模型的计算精度。另外,可以采取在试验前,进行预跑车,测试出实测影响线直接与理论计算对比,计算模型是否合理,同时可以预测结构的安全性,该方法已经在梁桥中得到成功运用。

参考文献

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