波形鋼腹板-桁式弦桿組合梁橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

張 偉

（深圳市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站 深圳518000）

0 引言

近年來(lái)，隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，各種新型橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程當(dāng)中，如UHPC 橋面板［1］、UHPC 梁［2］、FRP-混凝土橋面板［3-4］、波形鋼腹板混合梁［5］等。最近，一種波形鋼腹板-桁式弦桿組合梁橋在工程中得到應(yīng)用［6-7］，該組合梁橋利用鋼管混凝土代替混凝土底板，鋼管混凝土間通過(guò)桁架連接。該結(jié)構(gòu)具有自重輕、受力合理的特點(diǎn)，負(fù)彎矩區(qū)的鋼管混凝土可以充分發(fā)揮其受壓特性。

本文對(duì)一座波形鋼腹板-桁式弦桿組合梁橋開(kāi)展荷載試驗(yàn)研究，通過(guò)靜、動(dòng)載試驗(yàn)了解該種橋型的受力特點(diǎn)。最后，通過(guò)試驗(yàn)值與有限元值的對(duì)比，評(píng)定該新型橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

1 工程概況

某橋上部結(jié)構(gòu)為主跨45 m 的等截面高度2.8 m的波形鋼腹板-桁式弦桿組合簡(jiǎn)支箱梁橋，每幅橋的寬度為20 m，如圖1 所示。主梁腹板采用1600 型的Q345c 波形鋼腹板，波長(zhǎng)1 600 mm，壁厚20 mm，波高220 mm；下弦桿采用直徑φ 720，壁厚20 mm，內(nèi)部灌注C50微膨脹混凝土。弦管間采用橫撐和斜撐構(gòu)成的桁式連接，橫撐和斜撐均采用雙槽鋼和焊于弦管上的梯形鋼板焊接形成桁式弦桿，同時(shí)箱內(nèi)沿縱向每4.8 m設(shè)置1道橫隔，共設(shè)9道橫隔，增加整體抗扭性能。支點(diǎn)處設(shè)置混凝土橫梁，橫梁厚度為1.2 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)。

圖1 組合梁橫斷面及實(shí)景Fig.1 Cross Section and Application of Composite Beam

2 靜載試驗(yàn)

2.1 有限元模型

王程偉等人［8-9］的建模方法采用MIDAS/Civil軟件，對(duì)波形鋼腹板-桁式弦桿組合簡(jiǎn)支箱梁進(jìn)行仿真模擬。采用空間梁格模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析，其中鋼管混凝土采用共用節(jié)點(diǎn)雙單元法模擬，分別模擬混凝土和鋼管；波形鋼腹板和鋼翼緣板采用梁?jiǎn)卧M；混凝土板采用平面梁格模型模擬。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite Element Model

2.2 主要測(cè)點(diǎn)布置

在靜載試驗(yàn)中，主要對(duì)簡(jiǎn)支組合梁的跨中斷面進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)靜載下的變形及撓度的測(cè)量，評(píng)估橋梁的技術(shù)狀態(tài)?？缰袛嗝鎽?yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖3所示，實(shí)橋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)安裝如圖4所示。

圖3 跨中斷面測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.3 Layout of Measuring Points at Mid-Span Section

圖4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)安裝Fig.4 Installation of Strain Measuring Point

2.3 試驗(yàn)荷載工況

波形鋼腹板-桁式弦桿組合簡(jiǎn)支箱梁的靜載工況如下。⑴工況1：對(duì)稱(chēng)加載下跨中中梁斷面最大撓度；⑵工況2：對(duì)稱(chēng)加載下跨中中梁斷面最大拉應(yīng)變；⑶工況3：偏心加載下跨中邊梁斷面最大撓度。

2.4 靜力荷載效率

依據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程：JTG/T J21-01—2015》［10］，本次靜載試驗(yàn)的荷載效率η 控制在0.85～1.05之間。η按式⑴計(jì)算。

式中：Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值；S 為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載不計(jì)沖擊荷載作用時(shí)，產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項(xiàng)目（截面）對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利計(jì)算效應(yīng)值；μ為沖擊系數(shù)值。

各工況的荷載效率如表1所示。

表1 靜力荷載試驗(yàn)各工項(xiàng)加載效率Tab.1 Loading Efficiency of Each Work Item in Static Load Test

2.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在各試驗(yàn)工況作用下，該橋上部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)控制截面的主要測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.36～0.71 之間，實(shí)測(cè)撓度均小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)變形正常，表明測(cè)試截面結(jié)構(gòu)剛度滿(mǎn)足要求。詳細(xì)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比Tab.2 Comparison between Measured Deflection and Theoretical Deflection

在各試驗(yàn)工況作用下，該橋下弦管鋼管底面結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)控制截面實(shí)測(cè)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.32～0.73 之間，實(shí)測(cè)應(yīng)變均小于計(jì)算值，表明測(cè)試截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。詳細(xì)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)中通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn)獲取實(shí)橋的頻率。脈動(dòng)試驗(yàn)即在橋面無(wú)交通荷載及橋址附近無(wú)有規(guī)律振源的情境下，測(cè)定橋梁在風(fēng)荷載、水流、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的微小振動(dòng)響應(yīng)。這里采用脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量橋梁的頻率，通過(guò)實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比，考察實(shí)橋的剛度狀態(tài)。脈動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)如圖5 所示。采用前述的有限元建模方法建立波形鋼腹板-桁式弦桿組合簡(jiǎn)支箱梁模型，計(jì)算振型及實(shí)測(cè)頻譜如圖6 所示，第一階振型為豎彎，第二階振型為扭轉(zhuǎn)。

表3 實(shí)測(cè)鋼管底應(yīng)變與理論鋼管底應(yīng)變對(duì)比Tab.3 Comparison between Measured Strain and Theoretical Strain at the Bottom of Steel Tubes

圖5 動(dòng)載試驗(yàn)Fig.5 Dynamic Load Test

前兩階振動(dòng)頻率的對(duì)比結(jié)果如表4 所示，各階振型實(shí)測(cè)頻率均大于相應(yīng)的理論計(jì)算值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度良好。

圖6 計(jì)算振型及實(shí)測(cè)頻譜Fig.6 Calculated Vibration Mode and Measured Spectrum

表4 實(shí)橋脈動(dòng)結(jié)果Tab.4 Pulsation Test Results of Bridges

4 結(jié)語(yǔ)

⑴本次靜載試驗(yàn)的荷載效率為0.85～1.05，滿(mǎn)足文獻(xiàn)［10］的相關(guān)要求。此外，實(shí)測(cè)校驗(yàn)系數(shù)表明，波形鋼腹板-桁式弦桿組合簡(jiǎn)支箱梁橋的實(shí)橋剛度和強(qiáng)度滿(mǎn)足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D64—2015》的要求。

⑵動(dòng)載試驗(yàn)表明，波形鋼腹板-桁式弦桿組合簡(jiǎn)支箱梁橋的實(shí)測(cè)頻率均高于計(jì)算頻率，該新型結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)剛度較高，動(dòng)力性能良好。