摘要：针对大跨径刚构桥进行桥梁荷载试验的加载计算过程，以是否考虑纵向预应力钢筋影响效应开展有限元分析，分析了截面特性、控制内力及加载效率的变化情况。结果表明纵向预应力钢筋对截面抗弯惯性矩以及中和轴的位置有一定影响，同时对截面中和轴的位置同样存在一定影响，但是考虑预应力钢绞线与否对桥梁荷载试验截面内力和加载效率的影响较小，实际荷载试验加载效率的计算可以忽略该影响。
关键词：刚构桥；预应力；荷载试验；加载效率
引言
桥梁是公路的纽带与咽喉，直接左右着公路的生命。因此，必须确保其工程质量，始终使其处于良好的工作状态。随着科学技术的进步特别是计算机技术在有限元计算中的广泛应用，桥梁结构的设计方法和设计理论都有了根本性的变化，然而影响桥梁工程质量的许多不确定因素依然存在，对于建成后的桥梁工程质量，人们更希望了解和掌握其使用性能和效果。此时，就需要对桥梁实施静、动荷载试验来检验设计和施工质量是否满足设计和标准规范要求，评定桥梁运营荷载等级和实际使用状况等。就截止目前而言，无论多么高新的结构分析技术都不能取代用于评估桥梁性能的现场荷载试验。
当结构承受工作荷载时，记录下测试结果，根据测试结果就能更好地了解桥梁的真是结构响应。桥梁荷载试验的作用和目的，就是通过对桥梁结构物直接加载后进行有关测试、记录与分析工作，包括试验准备、理论计算、现场试验、对试验结果分析整理等一系列内容，以达到了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，进而评定桥梁结构施工质量和使用状况，为交（竣）工验收、投入运营和深入探索提供科学依据。
本文针对某大跨径刚构桥进行桥梁荷载试验的加载计算过程，以是否考虑预应力钢筋影响效应开展有限元分析，主要就预应力钢筋对截面特性、控制内力及加载效率的影响进行分析，并提出了相应的建议。
1 模型建立
某大桥主桥上部结构为主跨188m跨径的预应力混凝土连续刚构桥，下部结构主墩采用双支薄壁式箱形墩+整体式承台+钻孔灌注桩基础，过渡墩采用箱形墩+整体式承台+钻孔灌注桩基础；上部结构箱梁断面采用单箱单室直腹板断面，箱梁顶板宽13.25m，底板宽7.0m，根部梁高11m，高跨比为1/17.1；跨中梁高4.2m，高跨比为1/44.8。梁底变化曲线为1.8次抛物线，曲线方程为Y=0.00215X1.8。箱内顶板最小厚度为0.28m。腹板厚度(0.8~0.65~0.5)m，底板根部厚度1.1m，底板跨中厚度0.32m，底板厚度方程为Y=0.0019034X1.8。主墩和主梁分别采用C50和C60混凝土。
本文采用有限元软件MIDAS/Civil对某大跨径连续刚构桥进行了有限元建模加载分析，该桥采用1860钢绞线，设计张拉控制应力为1395MPa。模型采用的材料详见表1，混凝土采用梁单元进行模拟，预应力荷载通过布置钢筋形状施加预应力荷载赋予结构。车辆荷载通过梁单元荷载施加在相应的位置上模拟。建立的模型见图1所示。
表1 有限元模型单元材料表
图1 有限元模型立体图
2 纵向预应力钢筋对截面特性的影响分析
常规的荷载试验建模分析过程中，一般会忽略预应力钢筋和普通钢筋对混凝土刚度的影响，直接采取全截面都是混凝土材料进行建模计算分析，由表1可知，钢筋和混凝土材料特性尤其是弹性模量相差较大，忽略钢筋的影响势必会造成计算的误差和桥梁结构实际加载效应的偏离。因此，如果能将钢筋和混凝土两种材料组成的实际截面换算成一种性能相同的材料组成的匀质截面（称换算截面），即将实际截面可以看作是匀质弹性材料组成的截面，从而能采用材料力学公式进行截面计算。
根据EI和EA相等的原则，即
E1A1+E2A2=E1A
E1I1+E2I2=E1I
式中，E1为混凝土弹性模量，E2为钢筋弹性模量，A1、I1为换算前钢筋面积和抗弯惯性矩，A2、I2为换算前混凝土面积和抗弯惯性矩，A、I为换算后混凝土面积和抗弯惯性矩。
通常，由于钢筋布置在混凝土内部，为了便于布置测点和采集数据，将钢筋截面积换算成假想的混凝土截面。
以该桥中跨跨中处截面为例，比较考虑纵向预应力钢筋效应与否对截面刚度的影响，该截面的截面形状及钢筋布置情况见图2所示。考虑纵向预应力钢筋效应后的截面特性变化见表2所示。
图2 中跨跨中截面纵向预应力钢筋布置（单位：cm）
表3 考虑纵向预应力钢筋影响后中跨跨中截面特性对比表
由表中可以看出，影响最大的截面特性值为抗弯惯性矩，为5.1%，中和轴竖向移动距离为向下0.0455m。
3考虑纵向预应力钢筋影响与否的荷载试验计算结果分析
本文以中跨跨中截面最大正弯矩加载为例，控制静力荷载试验效率效率ηq介于0.85~1.05之间，比较考虑纵向预应力钢筋效应后控制截面内力和荷载试验加载效率的变化情况。计算结果对比见表4所示。
表4 考虑纵向预应力钢筋影响后中跨跨中截面计算结果对比表
由表4可以看出，对于中跨跨中截面而言，考虑纵向预应力钢筋与否对控制截面理论内力最大值影响很小，同样的布载情况下加载计算值也偏差不大，且均满足规范规定的加载效率。
结语：
本文针对某大跨径刚构桥在荷载试验建模计算过程中是否考虑预应力钢筋效应的影响进行了对比计算分析，获得的具体结论如下：
(1) 纵向预应力钢筋对截面特性值中的抗弯惯性矩有一定影响，同时对截面中和轴的位置同样存在一定影响，本文实例中抗弯惯性矩影响量为5.1%，中和轴竖向移动距离为向下0.0455m。
（2）考虑预应力钢绞线与否对桥梁荷载试验截面内力和加载效率的影响较小，实际荷载试验加载效率的计算可以忽略该影响。
参考文献：
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论文作者:周善宽
论文发表刊物:《防护工程》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/18
标签：截面论文; 荷载论文; 预应力论文; 钢筋论文; 桥梁论文; 纵向论文; 加载论文; 《防护工程》2018年第1期论文;