大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋關(guān)鍵節(jié)點的試驗檢測研究

鄔海川

（上海同濟檢測技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引言

人行天橋一般地處城市核心區(qū)交通樞紐位置，多跨越城市主要道路，下方交通流量大，周邊環(huán)境復雜，可供選擇墩柱位置少，因此往往選擇大跨度。由于中心城區(qū)的城市規(guī)劃要求，人行天橋還常附帶景觀功能，常設(shè)計成異形的地標性構(gòu)筑物。鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、承載力高、造型靈活、成本低等優(yōu)點[1]，因此在城市人行天橋工程中應(yīng)用已越來越廣泛，新型的鋼結(jié)構(gòu)形式也不斷被應(yīng)用到人行天橋工程中。新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備這四新技術(shù)的應(yīng)用帶來了新的技術(shù)問題，如何確保新技術(shù)的可靠應(yīng)用進而保障工程質(zhì)量，是工程試驗檢測工作要重點考慮的問題。

本文通過金沙江路真北路人行天橋這一典型的大跨度鋼桁架異形結(jié)構(gòu)人行天橋工程，研究探討了其大量采用的節(jié)點構(gòu)件的試驗和檢測技術(shù)方法，既是對超越當前規(guī)范的新技術(shù)在工程中的應(yīng)用保駕護航，也為類似的工程積累了經(jīng)驗，有利于新技術(shù)的不斷改進和推廣應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 天橋概況

金沙江路真北路人行天橋，位于上海市普陀區(qū)金沙江路真北路交匯處，同時也是中環(huán)線和地鐵13號線交叉點。該交叉口的西北象限為綠洲中環(huán)中心（辦公+商業(yè)），西南象限為118商業(yè)廣場，真北路東側(cè)為長風7A地塊。天橋所在區(qū)域環(huán)境復雜，交通流量大，地下管線密布，只有可能在四個角設(shè)置橋墩，且有作為地標建筑的景觀要求，綜合上述情況，最終的橋型選擇只能是大跨度鋼結(jié)構(gòu)形式。

人行天橋平面呈橢圓形布置，橢圓長軸約為157.7 m，短軸約為105.4 m，由4個異型橋墩支承主橋，主橋采用空間桁架鋼結(jié)構(gòu)形式，主橋跨徑布置為82.2 m+102.4 m+88.0 m+109.6 m，全長為380.2 m，主橋?qū)挾?.3 m（凈寬6 m）。共設(shè)梯道7處，商業(yè)通道2處，自動扶梯4處，無障礙電梯4座。天橋的建筑外形采用了空間結(jié)構(gòu)形式，地面為混凝土橋面板，頂面由金屬面板覆蓋，兩側(cè)為高低錯落的桁架，桁架高度在3.15~7.85 m之間[2]，見圖1。

圖1 人行天橋效果圖

1.2 結(jié)構(gòu)概況

橋梁結(jié)構(gòu)型式為空間管格構(gòu)結(jié)構(gòu)。其中下弦為箱型截面鋼管，腹桿和屋面弦桿為圓鋼管。節(jié)點采用剛節(jié)點相貫。根據(jù)不同的受力部位，鋼材采用橋梁用鋼Q420qD及Q345qC。下弦節(jié)點為箱型鋼梁與圓腹桿相貫連接，在鋼梁內(nèi)部再加加勁肋板以保證節(jié)點的剛度。上弦節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點。主橋共計由1664個節(jié)點和2288個桿件單元連接而成，見圖2。

圖2 人行天橋主橋側(cè)立面展開圖

天橋結(jié)構(gòu)節(jié)點較多，主要是由下弦內(nèi)外圈的焊接節(jié)點以及上弦內(nèi)外圈的鑄鋼節(jié)點組成（見圖3、圖4）。鑄鋼節(jié)點幾何構(gòu)型獨特、受力情況復雜；下弦焊接節(jié)點內(nèi)部加勁復雜、空間受力特征明顯、傳力復雜，焊接工藝要求高，無規(guī)范設(shè)計公式可依據(jù)[3~4]。

圖3 下弦鋼板焊接節(jié)點

圖4 主橋上弦鑄鋼節(jié)點

2 關(guān)鍵節(jié)點分析

天橋為空間管格構(gòu)結(jié)構(gòu)，通過大量的節(jié)點將管件連接成一個整體，節(jié)點自身的可靠性以及節(jié)點和鋼管件連接的焊接質(zhì)量無疑是本工程質(zhì)量最重要的關(guān)鍵所在。

作為一座跨度大、周長長的鋼桁架異型結(jié)構(gòu)人行天橋，大量采用了節(jié)點連接，這超出了當前規(guī)范的范疇，屬于新工藝的大膽嘗試和應(yīng)用。因此，有必要對某些重要性較高的且具有一定代表性的節(jié)點進行試驗研究，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程安全應(yīng)用提供可靠依據(jù)。除節(jié)點自身的安全可靠，節(jié)點和相鄰管節(jié)之間連接的焊接質(zhì)量，無疑也是天橋結(jié)構(gòu)安全的核心內(nèi)容。

3 節(jié)點試驗

為了明確節(jié)點在設(shè)計荷載的應(yīng)力分布情況，確保節(jié)點在設(shè)計荷載下的安全性，有必要對該節(jié)點的承載性能進行試驗研究。根據(jù)設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求，考察節(jié)點在一定荷載下的受力性能，檢驗節(jié)點的承載力富余度及其構(gòu)造合理性，分別選取了兩個下弦鋼板焊接節(jié)點（編號分別外圈的20和內(nèi)圈的119）和兩個上弦鑄鋼節(jié)點（編號分別為128和 146）。

考察節(jié)點在指定荷載條件下（下弦節(jié)點2倍設(shè)計荷載，上弦節(jié)點1.3倍設(shè)計荷載）的受力性能，驗證和校核有限元分析的可靠性，綜合試驗數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果，對節(jié)點的安全性做出判斷。

3.1 節(jié)點試驗

本試驗采用的是同濟大學自主設(shè)計的節(jié)點試驗全方位通用加載系統(tǒng)。該球形反力架為目前國內(nèi)最大、適用性最廣的試驗反力系統(tǒng)。試驗件均按原型尺寸。

限于篇幅，以上弦128號鑄鋼節(jié)點為例說明試驗內(nèi)容和過程，見圖5。

圖5 128號試驗節(jié)點試驗現(xiàn)場圖

正式加載前進行預加載，檢驗加載和測試系統(tǒng)是否正常。正式加載時，每級加載完畢后，等待1 min，記錄應(yīng)變片和位移計的讀數(shù)。預加載分4級，正式加載分10級完成，第7級荷載對應(yīng)設(shè)計荷載。

測點布置主要有三類：一是單向應(yīng)變片，主要測量和監(jiān)控管件內(nèi)力；二是三向應(yīng)變片，主要測量節(jié)點區(qū)域的應(yīng)力變化和發(fā)展規(guī)律；三是位移計，用以監(jiān)控節(jié)點的空間變位。測點布置前，首先采用有限元軟件Abaqus進行預分析，根據(jù)分析結(jié)果布置應(yīng)變片和位移計。

在上弦128號試驗節(jié)點的5根接管上共布置7個截面56個單向應(yīng)變片S1-S56；在鑄鋼節(jié)點上布置37個三向應(yīng)變片（111個通道）T1-T37；布置9個位移計D1-D9，其中D1-D3用于監(jiān)測節(jié)點剛體位移，其余位移計布置在管2247和管2350端部，主要用于保證試驗安全，見圖6。

圖6 128號節(jié)點貼片示意圖A（側(cè)視）

當加載到1倍設(shè)計荷載時，所有測點的應(yīng)變讀數(shù)均處于彈性狀態(tài)；最終加載到1.3倍設(shè)計荷載時，所有測點的應(yīng)變讀數(shù)均處于彈性狀態(tài)。在試驗過程中，節(jié)點區(qū)域無可見的變形，位移計D1、D2和D3均有讀數(shù)，但數(shù)值很小。

在整個加載過程中，128號節(jié)點各測點的應(yīng)力呈線性增長，在加載至1.3倍設(shè)計荷載時，所有測點都處于彈性狀態(tài)，表明節(jié)點安全并且有一定的安全儲備。

3.2 有限元分析

根據(jù)《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS235:2008）[5]第4.4.8條規(guī)定，鑄鋼節(jié)點試驗必須輔以有限元分析和對比。節(jié)點幾何構(gòu)型獨特、復雜，即使在彈性受力階段，其應(yīng)力狀態(tài)也非常復雜。由于試驗過程中測點數(shù)量有限，不可能通過跟蹤測試方式全方位地了解節(jié)點的受力性能。因此，有限單元法成為從整體把握節(jié)點力學性能的重要手段之一，同時也是試驗研究的重要補充。此次試驗研究利用ABAQUS有限元分析軟件對節(jié)點進行彈塑性有限元分析，并與試驗結(jié)果進行對比分析。

限于篇幅，以上弦128號鑄鋼節(jié)點為例說明分析內(nèi)容。其幾何模型見圖7。

圖7 128號節(jié)點有限元模型

有限元分析的加載方式總體上有位移加載和力加載兩類。考慮到節(jié)點試驗中采用力加載的方式，為了方便對比試驗和有限元分析結(jié)果，本試驗的有限元模型中也采用力加載的方式。

有限元分析結(jié)果表明，128號節(jié)點在1.3倍設(shè)計荷載作用下處于彈性狀態(tài)，且節(jié)點整體應(yīng)力水平不高（見圖8）；有限元計算結(jié)果和試驗測試值總體上吻合較好。節(jié)點整體應(yīng)力水平不高，且在關(guān)鍵測點處有限元計算得出的Mises應(yīng)力均大于試驗測量值，因此可以認為有限元分析結(jié)果是安全的。

圖8 1.3倍設(shè)計荷載下128號節(jié)點Mises應(yīng)力云圖

3.3 試驗結(jié)果

綜合足尺模型靜力試驗和有限元分析結(jié)果，所有節(jié)點在加載至設(shè)計荷載時，所有測點均處于彈性狀態(tài)，加載至指定荷載時（下弦節(jié)點2倍設(shè)計荷載，上弦節(jié)點1.3倍設(shè)計荷載），所有測點仍處于彈性狀態(tài)，說明節(jié)點在設(shè)計荷載作用下是安全的，且有一定的強度儲備，可應(yīng)用于工程。

4 焊縫無損檢測

除節(jié)點自身的技術(shù)可行性，節(jié)點和管件連接的焊接質(zhì)量無疑也是整體工程質(zhì)量的核心要點。

按照設(shè)計和規(guī)范要求，針對本項目的結(jié)構(gòu)特點，選擇了磁粉檢測、超聲檢測、射線檢測和超聲相控陣技術(shù)多種方法，并相互驗證。磁粉檢測針對焊縫的表面缺陷；超聲檢測用于焊縫內(nèi)部面積型缺陷的檢測；射線檢測用于焊縫內(nèi)部體積型缺陷的檢測；因本工程下弦結(jié)點和桿件內(nèi)部隔板較多，且所有構(gòu)件在拼裝完成以后是封閉的，故無法對下弦橋面結(jié)點與桿件的對接焊縫進行射線抽檢，為了彌補這一情況，經(jīng)專家討論，本工程采用超聲相控陣檢測方法替代射線檢測方法進行抽檢。

超聲相控陣技術(shù)的基本原理來自于雷達電磁波相控陣技術(shù)，其換能器是由多個獨立的壓電晶片組成的陣列，按一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個晶片單元，來調(diào)節(jié)控制焦點的位置和聚焦的方向。通過控制各個獨立陣元的延時，超聲相控陣檢測技術(shù)可生成不同指向性的超聲波波束，產(chǎn)生不同形式的聲束效果，模擬各種斜聚焦探頭的工作，并且可以電子掃描和動態(tài)聚焦，無需或少移動探頭，檢測速度快，探頭放在一個位置就可以生成被檢測物體的完整圖像，實現(xiàn)了自動掃查。相控陣技術(shù)優(yōu)于常規(guī)超聲技術(shù)之處在于它可以使用單個探頭組合件中的多個晶片對聲束進行偏轉(zhuǎn)、聚焦和掃查。利用通常被稱為扇形掃查的聲束偏轉(zhuǎn)，可以適當?shù)慕嵌壬杀粶y工件的映射圖像[6]。

在檢測焊縫時，這一能力極大地提高了探測焊縫異常狀態(tài)的幾率，電子聚焦可在會出現(xiàn)缺陷的位置處優(yōu)化聲束的形狀和大小，從而可進一步提高檢出率。在市政工程中，超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用較少。將該檢測技術(shù)應(yīng)用在本工程中，既是對市政工程檢測的一種嘗試和突破，給檢測手段注入新鮮的血液，也是為確保工程焊接質(zhì)量增加了一道安全屏障。本工程實際應(yīng)用效果表明，超聲相控陣技術(shù)切實明顯提高了檢測可靠性。

主橋檢測分為工廠加工焊縫檢測、預拼裝焊縫檢測和現(xiàn)場加工焊縫檢測3個環(huán)節(jié)。除此之外，為了保證主橋的工程質(zhì)量，在幾個重點工況下，如橋梁整體焊接完成，整體落架完成，橋面鋪裝完成，全部恒載到位，主橋開放使用1個月、3個月和6個月、12個月后，對主橋焊縫特別是關(guān)鍵節(jié)點位置焊縫質(zhì)量進行了抽檢（見圖9）。同時密切關(guān)注橋梁施工過程中的內(nèi)力、線形檢測數(shù)據(jù)，多個檢測項目共同表明，主橋質(zhì)量安全可靠。

5 總結(jié)與討論

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的應(yīng)用越來越多，由于設(shè)計、施工難度大，勢必不斷引入新工藝、新方法。如何確保新技術(shù)的可靠應(yīng)用進而保障工程質(zhì)量，是工程試驗檢測工作要重點考慮的問題。

圖9 超聲相控陣現(xiàn)場檢測照片

金沙江路真北路人行天橋是一座典型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋，同時也是重要的地標景觀構(gòu)筑物。橋梁結(jié)構(gòu)型式為空間管格構(gòu)結(jié)構(gòu)，大量采用節(jié)點連接新工藝。節(jié)點自身的可靠性以及節(jié)點和鋼管件連接的質(zhì)量無疑是本工程最重要的關(guān)鍵所在。

下面是對本文工作的幾點總結(jié)和討論：

（1）通過節(jié)點試驗和有限元分析，證明了節(jié)點在設(shè)計荷載作用下是安全的，且有一定的強度儲備，可應(yīng)用于工程。

（2）選擇采用多種無損檢測方法，并相互驗證，保證了焊縫質(zhì)量的檢測結(jié)果有效性，又在后續(xù)的多個重點工況下跟蹤抽檢，并且與其他的檢測項目綜合分析相互印證，保證了焊接質(zhì)量的可靠性，進而保證了主橋工程質(zhì)量。

（3）在工程管理中，針對新工藝的應(yīng)用一定要小心謹慎，抓住關(guān)鍵節(jié)點，通過科學的試驗數(shù)據(jù)和可靠的技術(shù)手段確保新技術(shù)本身的可行和施工質(zhì)量的評價，一定要有數(shù)據(jù)說話，用事實說話，才能保證工程的萬無一失。

（4）本工程中，新的節(jié)點工藝的應(yīng)用被證明是可行的，有助于這項新工藝、新技術(shù)的推廣應(yīng)用，同時也為所有采用新技術(shù)的工程如何確保新工藝的有效應(yīng)用提供一定的參考借鑒。