組合鋼箱梁橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究

呂 磊 陳 劍

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 引言

隨著橋梁設(shè)計(jì)施工水平的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外修建了一批組合結(jié)構(gòu)橋梁。與傳統(tǒng)單一混凝土橋梁相比，組合結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、跨度大的優(yōu)點(diǎn)。相比鋼結(jié)構(gòu)橋梁，組合結(jié)構(gòu)橋梁具有造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)整體受力性能更加合理。組合結(jié)構(gòu)橋梁充分發(fā)揮了混凝土和鋼材各自的受力特性，同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn)，日本、歐美各國(guó)均較早地開(kāi)展了對(duì)于組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用研究，并制定了組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1]。相比國(guó)外而言，我國(guó)對(duì)于組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用起步較晚，工程實(shí)例較少，因此對(duì)于鋼-混組合梁橋力學(xué)性能進(jìn)行研究具有重要的理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值[2]。

本文以某快速干道組合結(jié)構(gòu)箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)靜動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力、靜應(yīng)變、自振頻率等參數(shù)，比較荷載試驗(yàn)并結(jié)合空間有限元模型研究了該橋在正常使用荷載作用下的整體受力性能。

1 工程概況

某快速干道工程鋼-混組合箱梁橋跨徑54m，主橋采用組合梁結(jié)構(gòu)，斜交角75°，設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)。橋梁寬度為44～45m，上部結(jié)構(gòu)橋面板采用C40標(biāo)號(hào)混凝土，鋼材型號(hào)為Q345qd。主橋上部組合梁結(jié)構(gòu)采用8片鋼梁和混凝土橋面板結(jié)合，梁體中心高度2.8m，鋼梁和混凝土橋面板采用剪力鍵連接。組合梁橫截面如圖1所示。

圖1 某機(jī)場(chǎng)快速干道組合梁橋橫斷面圖（單位：cm）

2 橋梁有限元計(jì)算模型

根據(jù)箱梁梁格理論，采用Midas/civil建立有限元模型，采用粱單元模擬單片鋼箱梁，采用板單元模擬混凝土橋面板，橋面板單元與鋼梁?jiǎn)卧ㄟ^(guò)節(jié)點(diǎn)約束方程進(jìn)行連接，約束條件為共同變形，即不考慮橋面板和鋼梁的相對(duì)位移效應(yīng)。

3 試驗(yàn)概況

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)主要測(cè)試橋梁在車載作用下的變形、應(yīng)變和整體動(dòng)力特性。應(yīng)變采用RS-QL06E橋梁及結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)和振弦式應(yīng)變傳感器進(jìn)行測(cè)量，撓度采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行復(fù)核。模態(tài)測(cè)試采用DH5938系列動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。荷載試驗(yàn)采用三軸重車進(jìn)行加載，重車前軸軸重6t，中后軸軸重14.5t，總重35t，共采用重車6輛。

圖2 組合梁橋在移動(dòng)荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖

根據(jù)橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖（見(jiàn)圖2），選取該橋跨中斷面為測(cè)試控制端面。靜載測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，動(dòng)力特性測(cè)試在主跨L/4、L/2、3L/4處布設(shè)豎向（面內(nèi)）加速度拾振器各1個(gè)，測(cè)量橋梁面內(nèi)各階振動(dòng)頻率和振型；在相同位置布置橫向（面外）加速度拾振器各1個(gè)，以測(cè)量大橋的面外振動(dòng)頻率和振型。

圖3 跨中截面應(yīng)變傳感器布置圖

3.2 加載工況和試驗(yàn)效率

3.2.1 靜載試驗(yàn)工況

根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和理論計(jì)算結(jié)果，靜載試驗(yàn)共分為2個(gè)試驗(yàn)工況，工況一為跨中最大正彎矩，橫向?qū)ΨQ布置；工況二為跨中最大正彎矩，橫向偏載。試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)效率如表1所示。

表1 靜載試驗(yàn)加載工況和效率表

3.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)工況

為測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，進(jìn)行了環(huán)境激勵(lì)下的動(dòng)力特性測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行不同車速下的跑車試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)，具體工況如表2所示。

表2 動(dòng)載試驗(yàn)加載工況

3.2.3 靜荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

本文僅對(duì)工況一靜載試驗(yàn)撓度部分結(jié)果、動(dòng)載試驗(yàn)基頻結(jié)果進(jìn)行分析，其他工況類似。

撓度測(cè)試根據(jù)測(cè)點(diǎn)位置受加載工況的影響情況，綜合采用電子水準(zhǔn)儀和全站儀對(duì)關(guān)鍵截面撓度和橋梁撓曲線進(jìn)行了測(cè)試。相應(yīng)的結(jié)果基本一致，表明本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很高可靠性。

表3為I-I跨中截面梁底撓度計(jì)測(cè)試結(jié)果，校驗(yàn)系數(shù)在0.8左右，相對(duì)殘余在2.63%～17.78%之間。

表3 工況一跨中（I-I）截面撓度測(cè)試結(jié)果

測(cè)點(diǎn)在控制荷載工況作用下的相對(duì)殘余撓度（或應(yīng)變）越小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況，《公路舊橋承載能力鑒定方法》要求相對(duì)殘余不大于20%。由表3可見(jiàn)，本次試驗(yàn)實(shí)測(cè)撓度（或應(yīng)變）相對(duì)殘余量均分布在20%范圍內(nèi)，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)的殘余撓度（或應(yīng)變）均滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)整體工作在彈性狀態(tài)，變形在卸載后能較好恢復(fù)。

3.2.4 動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

橋梁的基頻是反映橋梁整體性能的重要指標(biāo)之一，當(dāng)橋梁受到損害或者剛度、強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，橋梁的固有頻率也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)脈動(dòng)、跳車試驗(yàn)，經(jīng)分析得到橋梁的基頻，結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)測(cè)基頻和理論基頻對(duì)照表

由實(shí)測(cè)基頻和理論計(jì)算值對(duì)比可以看出，實(shí)測(cè)一階自振頻率（跳車測(cè)試）為2.74Hz，大于理論計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于靜動(dòng)載試驗(yàn)技術(shù)，并結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)分析了某鋼混組合箱梁橋的力學(xué)性能，可以得到如下結(jié)論。

4.1 靜載試驗(yàn)結(jié)論

實(shí)測(cè)主要測(cè)點(diǎn)的撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，表明橋梁剛度和強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

各加載工況下的相對(duì)殘余變形（應(yīng)變）基本滿足規(guī)范不大于20%的要求，且逐級(jí)加載時(shí)主要測(cè)點(diǎn)的撓度（應(yīng)變）表現(xiàn)為線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明橋梁工作在彈性狀態(tài)，卸載后撓度（應(yīng)變）基本能夠得到恢復(fù)。

箱梁整體抗扭性能良好，偏載工況下實(shí)測(cè)偏載效應(yīng)系數(shù)和理論值比較接近，撓度和應(yīng)變的橫向分布曲線也和理論曲線基本一致。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)論

動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁的基頻響應(yīng)和理論值相比較大結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。