新型鋼桁架橋復合結構體系的靜動載試驗研究

馬宏亮

(1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

新型鋼桁架橋復合結構體系的靜動載試驗研究

馬宏亮1，2

(1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

天津慈海橋為鋼桁架橋和摩天輪復合結構體系，主橋主跨為三跨(24.47+45.00+24.47)m連續鋼桁架梁，分為上下兩層。為了檢測橋梁結構的靜力和動力性能，評定橋跨的承載能力，為工程驗收提供科學依據，對該橋進行了靜動載試驗，并結合理論計算，對橋梁結構的主要構件應力、主梁撓度和結構振動特性等進行了對比分析。試驗結果表明橋跨結構設計合理，橋梁剛度和承載能力滿足設計要求，橋梁主體結構處于良好的技術狀態和使用狀態。

復合結構體系 鋼桁架橋 靜動載試驗 有限元分析

天津慈海橋為鋼桁架橋和摩天輪復合結構體系，主橋全長204 m，分為上下兩層，上層為機動車道，設計荷載為城—A級汽車荷載，雙向6車道，上、下行之間預留4.4 m間隙，供摩天輪穿過。下層為非機動車與步行通道以及商業空間，橋面為一整體，中部是摩天輪登艙站臺區，兩側為行人和非機動車過橋通道，人行道寬4.5 m/側，人行荷載為4.0 kN/m2［1-2］。

主橋主跨桁架梁的跨徑布置為(24.47+45.00+ 24.47)m，為三跨連續桁架，橫向共設四片主桁架，主桁之間通過上平聯、下平聯的縱橫梁連接，上層橋面總寬31 m，下層橋面總寬38 m。主桁和引橋之間為鋼混疊合梁過渡段，兩岸各設置兩孔，跨徑組合分別為:紅橋側(42.50+12.53)m、河北側(15.23+39.80)m。引橋為預應力混凝土連續箱梁，兩岸各設置四孔，跨徑組合均為4×25 m。

主橋中央的摩天輪直經為110 m，由兩個高62 m的人字形鋼結構塔架支撐。摩天輪輪盤為輻射狀拉索和鋼管桁架輪箍組成的輪輻索式結構。人字形塔架結構由互成120°的三條直線型鋼箱體組成。主橋示意如圖1。

對該橋進行靜動載試驗，目的在于通過試驗檢驗橋跨結構的設計與施工質量，為工程竣工驗收提供重要依據;測試橋跨結構的實際受力表現，了解結構的實際承載能力，評定其工作性能是否達到設計要求;了解橋跨結構的固有振動特性以及在使用荷載階段的動力性能，為今后安全運營提供必要的技術參數。

圖1 慈海橋示意

1 理論分析

慈海橋主橋的理論分析計算采用有限元方法，試驗前利用大型有限元軟件ANSYS建立了該橋的空間有限元分析模型，對其靜動力學性能進行了較全面的仿真計算［3］。

在該橋的有限元建模中，采用空間桿、板、梁及塊體單元，其中主梁鋼結構板連接部分采用板單元，角鋼采用梁單元，上下平聯及主桁內橫橋向連接采用桿單元，混凝土配重及齒坐梁與弧形梁連接部分采用塊單元。全橋共166 984個單元、127 469個節點。主橋計算模型見圖2。

圖2 主橋有限元計算模型

2 靜載試驗內容

2.1 測試內容

靜載試驗測試的主要內容包括主梁結構控制截面靜應力測試和靜撓度測試。圖3為主梁結構應力、撓度測試截面位置示意圖，其中1～3號截面為應力測試截面，4～6號截面為撓度測試截面。截面內測點布置見圖4、圖5。

圖3 應力、撓度測試截面位置示意

圖4 1號截面應力測點及4，6號截面撓度測點布置

圖5 2，3號截面應力測點及5號截面撓度測點布置

2.2 試驗荷載及加載項目［4］

利用試驗荷載圖式等效的原則，通過撓度和內力影響線加載計算，求得設計標準荷載的等代荷載，使控制截面的控制值(彎矩、撓度)與標準活載作用下的控制值之比達到試驗荷載效率的要求(0.85≤η≤1.05)，即為本次靜力試驗荷載。本橋靜力試驗荷載擬采用10輛重360 kN的載重汽車進行加載。

依據對設計荷載效應的計算結果，本次試驗的具體加載項目如下所述。

1)中跨跨中最大正彎矩偏心加載

橋面加載車6輛，按3隊排列，另加底層人行道300 kN配重荷載，加載效率0.93。

加載順序:第一級人行道300 kN配重，第二級1，2號車，第三級3，4號車，第四級5，6號車(參見圖6)。

2)邊跨跨中最大正彎矩對稱加載

橋面加載車10輛，按6隊排列，加載效率0.93。

加載順序:第一級1，2，3號車，第二級4，5號車，第三級6，7號車，第四級8，9，10號車(參見圖6)。

3)中支點最大負彎矩偏心加載

橋面加載車9輛，按3隊排列，另加底層人行道300 kN配重荷載，加載效率0.86。

加載順序:第一級人行道300 kN配重，第二級1，2號車，第三級3，4號車，第四級5，6號車，第五級7，8，9號車(參見圖7)。

圖6 中跨跨中加載與邊跨跨中加載輪位示意(單位:cm)

圖7 中支點加載輪位示意(單位:cm)

3 動載試驗內容

3.1 測試內容

動載試驗測試的主要內容包括全橋結構模態測試、主梁結構跑車動力反應測試和跳車動力反應測試。于中跨跨中、中跨L/4的橋面上布置傳感器進行測試。

3.2 試驗荷載

動載試驗荷載擬采用1～2輛重約360 kN的載重汽車。

1)跑車試驗。在橋面無任何障礙的情況下，采用2輛重360 kN的試驗加載車以10，20，30，40 km/h的速度在上游行車道駛過各測試截面位置，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動力反應。

2)跳車試驗。采用1輛重360 kN的試驗加載車以5 km/h的速度跨越設置在中跨跨中截面處的障礙物(障礙物為矢高7 cm的弓形木板)，模擬橋面鋪裝局部損傷狀態，測定橋跨結構在橋面不良狀態時運行車輛荷載作用下的動力反應。

4 靜載試驗結果

《公路橋梁承載能力檢測評定規程》［5］規定，實測彈性變形或力值Se與試驗荷載作用下理論計算值Sstat的比值即結構校驗系數ξ應滿足

應變(或應力)0.50≤ξ=Se/Sstat≤1.00

撓度0.60≤ξ=Se/Sstat≤1.00

4.1 靜位移測試結果

中跨跨中正彎矩偏心加載工況下中跨跨中主梁撓度的測試結果見表1，邊跨跨中正彎矩對稱加載工況下邊跨跨中主梁撓度的測試結果見表2。表中－表示下撓。

表1 中跨跨中正彎矩加載時上游行車道中跨跨中主梁撓度

表2 邊跨跨中正彎矩加載時邊跨跨中主梁撓度

從表1可得，中跨跨中正彎矩加載時撓度實測值均小于計算值，中跨跨中主梁撓度的結構校驗系數在0.79～0.90之間;從表2可得，邊跨跨中最大正彎矩滿載加載時撓度實測值均小于計算值，邊跨跨中主梁撓度的結構校驗系數在0.65～0.94之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中的有關參考限值規定，說明主梁的整體剛度符合設計要求，且具有一定的安全儲備。

中跨跨中實測最大撓度為3.6 mm，撓跨比為1/11 623，滿足規范規定的連續梁結構≤L/800的參考限值要求，說明結構的靜力剛度較大，整體工作狀態良好。

由中跨跨中主梁(上游)撓度與荷載加載效率的關系曲線(圖8)可以看出，中跨跨中上游行車道上、下游側的主梁撓度與荷載加載效率均呈現出良好的規律性變化，說明梁體處于彈性工作階段。

中跨跨中實測撓度殘余變形(Sp)與總變形(Stot)之比為0.4/3.98=0.101，＜0.20的參考限值要求，說明結構在設計荷載作用下具有良好的彈性恢復能力。

4.2 靜應力測試結果

表3、表4、表5分別為中跨跨中、邊跨跨中、中支點各級荷載加載工況下主梁相應控制截面主要測點的實測應力與計算應力結果。表中－表示壓應力。部分測試截面的實測應力與計算應力由于絕對值較小，校驗系數受測試誤差影響較大，在此省略。

從表3中可以看出，中跨跨中正彎矩加載時中跨跨中各測試截面的應力實測值均低于其計算值，在分級加載下，上縱梁的應力校驗系數在0.68～0.97之間;下縱梁的應力校驗系數在0.77～1.00之間;縱向斜撐的應力校驗系數在0.68～0.91之間;橫梁的應力校驗系數在0.63～0.98之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中的有關參考限值規定。

表3 中跨跨中正彎矩加載時中跨跨中截面主桁應力MPa

表4 邊跨跨中正彎矩加載時邊跨跨中截面主桁應力MPa

表5 中支點負彎矩加載時中支點截面主桁應力MPa

從表4中可以看出，邊跨跨中正彎矩加載時邊跨跨中各測試截面的應力實測值均低于其計算值，在分級加載下，下縱梁的應力校驗系數在0.81～0.97之間;縱向斜撐的應力校驗系數在0.86～0.89之間;橫梁的應力校驗系數在0.70～1.00之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中的有關參考限值規定。

從表5中可以看出，中支點負彎矩加載時中支點各測試截面的應力實測值均低于其計算值，在分級加載下，上縱梁的應力校驗系數在0.64～0.85之間;下縱梁的應力校驗系數在0.65～0.98之間;縱向斜撐的應力校驗系數在0.75～0.92之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中的有關參考限值規定。

中跨跨中、邊跨跨中、中支點主梁應力與荷載加載效率呈現出良好的規律性變化，說明中跨跨中、邊跨跨中、中支點處梁體整體工作性能良好，具有足夠的安全儲備，強度滿足設計要求。

5 動載試驗結果

5.1 自振特性

表6為橋跨結構自振頻率實測值與計算值的比較結果。從表中可以看出，橋跨結構同階振型振動頻率的實測值均較理論計算值偏大，說明結構的實際動剛度不小于理論期望值。圖9為慈海橋結構振型圖。

5.2 振動測試結果

動載試驗實際測試了中跨跨中截面的豎向位移、豎向加速度、橫向位移、橫向加速度，以及中跨L/4截面的橫向位移等。

測試結果表明橋跨結構振動以豎向振動為主，隨著車速的提高，豎向振幅和加速度均在增大。實測橋跨結構在跑車試驗時的豎向最大振幅為0.141 mm，＜3.0 mm的參考限值;在跳車試驗時的豎向最大振幅為0.403 mm，同樣＜3.0 mm的參考限值。實測橋跨結構在跑車試驗時的橫向最大振幅為0.094 mm，在跳車試驗時的橫向最大振幅為0.026 mm。

表6 實測自振頻率與計算自振頻率Hz

圖9 慈海橋結構振型

6 結論

1)靜載試驗撓度實測值小于計算值，殘余變形小于參考限值，說明結構始終處于彈性工作階段，梁體的實際剛度大于理論計算剛度。靜載試驗應力實測值小于計算值，說明結構的整體工作性能良好，實際強度較高，在最不利荷載作用下結構具有足夠的安全儲備。

2)實測結構自振特性與理論分析結果吻合良好，實測自振頻率較計算自振頻率偏高，說明結構的實際動剛度不小于理論期望值。在各類動荷載作用下，橋面振動位移與加速度均很小，反映出橋跨結構具有較好的整體性和動力性能。

綜上所述，本次試驗所測試的天津慈海橋在剛度、強度方面符合設計要求，橋梁性能良好，滿足城—A級荷載運營要求。

［1］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國建設部.CJJ 77—98城市橋梁設計荷載標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，1998.

［3］尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［4］宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［5］中華人民共和國運輸部.JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

Study on new steel trussed arch bridge com posite structural system by static and dynam ic loading tests

MA Hongliang1，2
(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T ian jin C ihai Bridge is a com posite structure，com posed of a steel trussed arch bridge and a giant wheel.T he main bridge is a three-span(24.47+45.00+24.47)m continuous steel truss girder w ith double-deck structure.Static and dynam ic load ing test were carried ou t to analyze the static and dynam ic perform ance，evaluate the bearing capacity of the bridge，and provide scientific basis for the project acceptance.W ith the theoretic calcu lation，the stress of m ain elements，the deflection of m ain girder and the vibration of the bridge structure were compared and analyzed.T he test results ind icate that the design of the structure is rational，the structu ral rigid ity and the bearing capacity satisfy the design requirem en ts，and the m ain structu re of the bridge is in good condition.

Composite structure system;Steel trussed arch bridge;Static and dynam ic loading test;Finite elem ent analysis

U446.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.01

1003-1995(2015)06-0001-05

(責任審編孟慶伶)

2015-02-27;

2015-03-20

馬宏亮(1980—)，男，湖南永順人，助理研究員。