某鋼框架人行天橋承載能力檢測與評估研究

■褚福鵬

(1.福建省建筑科學研究院有限責任公司；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350108)

1 工程背景

某人行天橋主橋為縱向三跨、橫向兩榀的鋼框架結構，縱向跨徑布置為5.25m+28.40m+5.25m，橋面橫向總寬6.50m。主梁工字鋼高1.20m，主梁間設間距1.95m的 工字型橫梁，梁高34.5cm；橫梁間設間距1.0m的[型截面小縱梁，梁高11.5cm。天橋梯道梁亦采用工字鋼梁，每側梯道分四個梯梁段，各梯梁段均采用簡支結構形式，梯道設一個懸挑段休息平臺。節點采用高強螺栓連接或直接焊接，所用高強螺栓等級為10.9級。下部結構均為鋼管混凝土柱式墩，主墩直徑為0.53m，梯道墩直徑為0.33m。橋面板采用壓型鋼板混凝土組合板，壓型鋼板波高7.3cm，波寬14cm，板厚1.4mm。橋面鋪面磚，欄桿為1.16m高鋼柵式。設計荷載：人群荷載4.5kPa。

主橋主梁截面及節點布置詳見圖1。

圖1 主橋主梁截面及節點布置示意圖(單位：mm)

2 橋梁缺損狀況檢查評定

2.1 橋梁外觀缺損狀況檢查結果

(1)橋面系檢查：全橋鋼欄桿局部脫漆、生銹；全橋共四個鋼路燈桿，均存在脫漆銹蝕；廣告牌鋼支架、螺栓生銹。

(2)上部結構檢查：主橋、梯道的鋼結構主梁、橫梁、縱梁油漆均變色起皮、局部脫漆生銹。主梁與墩柱連接節點板、橫梁與縱梁連接節點板及螺栓均銹蝕較嚴重。

(3)下部結構檢查：鋼管混凝土墩柱表面油漆均變色起皮、局部脫漆生銹。上部結構未見基礎不均勻沉降引起的明顯變形、開裂等異常現象，墩柱周邊地面未見明顯沉陷，基礎工作狀況未見明顯異常。

2.2 橋梁技術狀況評定

按規范要求對橋梁進行BCI 計算、完好狀況評估，結果見表1，該鋼框架人行天橋完好狀態為B級，即該橋處于良好狀態。

表1 橋梁完好狀況評估結果

3 橋梁荷載試驗

3.1 橋梁靜載試驗及分析

(1)試驗荷載

試驗荷載采用預制的混凝土塊，混凝土塊尺寸均為0.8m×0.8m×1.6m，重 25.6kN。

(2)加載工況及荷載效率

試驗所需加載預制塊布置，采用有限元模型計算分析而得。試驗共2個工況。依據規范要求的試驗荷載效率進行加載，試驗加載及測試內容見表2。各工況加載布置詳見圖2、圖3所示。

表2 各工況加載及測試內容匯總表

(3)測點布置及編號

主梁撓度檢測儀器為百分表，應變檢測儀器為振弦式應變計。試驗測試控制截面為主橋中跨跨中、主橋中跨固結端，主橋中跨跨中編號為1號測試截面、主橋中跨固結端為2號測試截面。非加載側主梁撓度測點編為1號、加載側主梁撓度測點編為2號。加載側主梁下翼緣左側應變為1測點、右側應變為2測點。

（4）試驗結果

試驗應變測試結果詳見表3，撓度測試結果詳見表4。

測試結果表明，所測最大拉應變為105με，最大壓應變為-110με，應變校驗系數在0.27～0.65之間，最大相對殘余應變為1.12%；所測最大撓度為7.34mm，撓度校驗系數在0.52～0.72之間，最大相對殘余變形為9.49%。

圖2 工況一加載布置圖(單位：cm)

圖3 工況二加載布置圖(單位：cm)

表3 應變測試結果匯總表

表4 撓度測試結果匯總表

(5)靜載試驗結果分析

根據測試結果，所測應變與變形校驗系數均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中規定的小于1.0的要求；相對殘余應變與變形均滿足規范中規定的不大于20%的要求，橋梁各部件工作狀況未見明顯異常。表明結構具有一定安全儲備。

3.2 橋梁自振特性試驗及分析

(1)測點布置在試驗跨均勻布置3個測試傳感器，詳見圖4。根據理論結果，試驗中采樣頻率設置為100Hz，共采樣30min。

(2)試驗結果與分析

實測與理論計算的豎向第一階振型見圖5、圖6，自振頻率見表5。試驗結果表明：橋梁實測基頻為4.89Hz，理論基頻為3.56Hz，均滿足《城市人行天橋與人行地道技術規范》規定的人行天橋豎向自振頻率不應小于3Hz的要求。

圖4 測點布置示意圖

圖5 實測豎向一階振型圖

圖6 理論豎向一階振型圖

表5 橋梁豎向自振頻率實測值與理論值匯總表

4 橋梁承載能力檢算

根據本橋的結構布置特點及截面形式，按規范對鋼框架主跨主梁強度、跨中拼接節點及梁端約束節點強度、整體穩定性、局部穩定性和荷載作用下的變形進行檢算。

其中主橋主梁部分拼接接頭采用全熔透對接焊縫拼接，經檢測全熔透對接焊縫質量等級均為二級，即焊縫等強與母材一致，無需對焊縫強度進行檢算。

4.1 檢算參數

結構重要性系數γ0均取1.0。

檢算荷載：結構自重、人群荷載4.5kPa。

材料參數：鋼材強度為Q235級；節點高強度連接螺栓為10.9級。即鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度取f=215MPa(t≤16mm)，f=205MPa(t＞16～40mm)， 抗剪強度 fv=125MPa(t≤16mm)，fv=120MPa(t≤16mm)；C 級 螺 栓 抗 拉 ftb=170MPa，抗剪 fvb=140MPa，承壓 fcb=305MPa；高強螺栓鋼材抗拉強度為1000MPa，屈服強度為900MPa；按承壓型高強螺栓計算，螺栓抗拉ftb=500MPa，抗剪fvb=500MPa，承壓fcb=500MPa。

4.2 檢算系數

橋梁靜載試驗中控制截面最大撓度(應變)的校驗系數為0.65，依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》，確定檢算系數Z2為1.08。

4.3 結構分析模型

采用MIDAS/Civil橋梁計算分析軟件進行建模，有限元模型共505個結點、532個梁單元、384個板單元，鋼材均采用Q235級，混凝土橋面板。有限元模型見圖7。

圖7 結構分析有限元模型

4.4 檢算結果

(1)主梁強度檢算

主跨跨中、主跨梁端最不利抗彎截面，主跨梁端最不利抗剪截面強度檢算結果詳見表6。

表6 主梁強度檢算結果匯總表

(2)節點強度檢算結果

對節點板螺栓摩擦承載力、承壓承載力、抗剪承載力，節點板、翼緣和腹板抗剪承載力進行檢算，結果見表7。

表7 節點強度檢算結果匯總表

(3)整體穩定性檢算

采用壓型鋼板混凝土組合橋面板，框架梁與橋面板有連接，并且在主梁上翼緣、下翼緣設有側向支撐橫梁。根據《鋼結構設計規范》，可不計算主梁的整體穩定性。

(4)局部穩定性檢算

對橋梁跨中截面和梁端截面進行腹板、受壓翼緣穩定性計算。

①腹板穩定性檢算

根據《鋼結構設計規范》，跨中截面：

梁端截面：

主梁腹板穩定性滿足規范要求。

②受壓翼緣穩定性檢算

根據《鋼結構設計規范》，跨中截面和梁端截面受壓翼緣：

主梁受壓翼緣穩定性滿足規范要求。

(5)荷載作用下的變形檢算

根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》，該橋梁由人群荷載計算的最大豎向撓度容許值[f]＝L/600（L為計算跨徑）。

計算結果表明該橋梁主跨撓度為15.48mm＜Z2[f]＝51.12mm，故主橋結構撓度驗算滿足要求。

5 檢測與評估結果分析

綜合橋梁缺損狀況檢查評定、荷載試驗、承載能力檢算結果，檢測結果表明：該鋼框架人行天橋承載能力滿足設計荷載(人群荷載4.5kPa)作用下的安全使用要求，但橋梁部分部件出現銹蝕等缺損，需要對缺損部件進行及時的小修保養，確保橋梁工程的使用耐久性。

6 結論

(1)通過對該鋼框架人行天橋進行承載能力檢測與評估，準確把握了橋梁的承載安全狀況及結構現狀工作狀況，為該橋梁的安全運營、合理維護提供了支撐；

(2)該橋的靜載試驗、自振特性試驗為該類型橋梁的進一步研究、設計、改進等積累了基礎數據；

(3)本文的橋梁承載能力檢測與評估步驟、檢算方法可以為同類橋梁的檢測評估提供借鑒。