拱梁組合的鋼結構人行天橋靜載試驗研究及承載力評定

吳植安

(太原理工大學 土木工程學院，太原 030024)

鋼結構人行天橋作為一種特殊的結構形式，具有施工周期短、跨越能力強、纖細等優點，相應地工程上對其承載能力與通行能力的要求也越來越高，因此有必要對鋼結構人行天橋的的承載能力及安全性進行分析評估，為鋼結構人行天橋的運營和管養提供技術依據。

目前，國內外學者主要對人行天橋的設計、現場檢測與安全性評定、動力特性測試及結構減振等方面進行了研究[1-3]。劉士洋等[4]對一鋼箱梁人行天橋進行檢測與安全性分析，并對其實際工作狀態進行了評定。王元清等[5]對西單鋁合金天橋的承載能力與工作性能進行了檢測與評定，針對該橋存在問題給出了處理建議。GIUSEPPE et al[6]利用等效光譜模型對人行天橋進行了適用性分析。ZUO et al[7]進行了行人激勵下人行天橋的振動振幅評估研究。孟美莉等[8]對深圳北站東西廣場人行天橋舒適度進行了分析。

太原市濱河西路幸福里人行天橋-拱梁組合鋼橋跨度大，凈空高，跨越濱河西路快速路，本文通過有限元模擬計算，確定出橋梁靜載試驗方案，對橋梁進行現場靜載試驗及承載能力評定。試驗結果為該橋日后運營階段的管養提供技術依據，同時對類似工程的設計、施工與檢測提供有益參考。

1 工程概況

太原市濱河西路幸福里人行天橋跨越濱河西路快速路，橋梁結構采用三跨飛燕式拱梁組合鋼橋，跨徑布置為13.0+45.0+13.0=71.0 m，主橋橋寬4.4 m，橋面凈寬4.0 m，橋梁凈空9.0 m，其立面圖與橫斷面圖如圖1所示，實際照片如圖2所示。主拱拱肋采用分離式雙肢截面，兩肢鋼管分別選用直徑219、273 mm的圓形鋼管；外側肢(鋼拱Ⅱ)矢跨比8/100，拱肋向外側偏；內側肢(鋼拱Ⅰ)鉛垂面內布置，矢跨比12/100，內外肢均按二次拋物線變化。橋面主梁采用等高度雙邊鋼梁，梁高0.4 m；橋面板采用12 mm鋼板；橋面板橫向聯系采用倒T型鋼梁，梁高0.4 m，間距1 500 mm.鋼拱與主梁之間采用鋼支撐剛性聯系，鋼支撐間距1 500 mm，與主梁橫向聯系梁對應。主橋主墩處設置兩個GJZ300×600×69板式橡膠支座，邊墩處設置兩個GJZ150×

圖1 人行天橋立面圖和橫斷面圖(單位：mm)Fig.1 Elevation and cross section of pedestrian bridge(unit:mm)

圖2 人行天橋照片Fig.2 Photo of pedestrian bridge

250×35板式橡膠支座，主橋中間橋墩采用縱向“V形”鋼筋混凝土墩柱形式，主橋邊墩采用混凝土墩柱蓋梁形式，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。

2 靜載試驗方案

2.1 靜載試驗目的與要求

1) 為確保新建人行天橋的安全運營，檢驗橋梁結構的設計與施工質量，通過靜載試驗，對人行天橋的結構性能與承載能力作出評定。

2) 人行天橋橋面標準荷載為4.05 kN/m2，確定靜力荷載試驗的荷載大小和加載位置時，采用靜載試驗效率進行控制[9]。本次人行天橋靜載試驗荷載效率控制在0.85～1.05范圍內[10-11]。

3) 人行天橋剛裝修完畢，要求靜載試驗時對橋面地磚等裝飾部件的損傷盡量做到最低限度。

2.2 測點布置

采用MIDAS有限元軟件，在標準荷載下對人行天橋結構進行計算，得出靜載試驗中的應力與位移測點位置，共布設20個應力(應變)測點，11個位移測點，具體位置見表1、2，如圖3、圖4所示。對于位移測點N1-N7，采用位移計量測各測點的豎向位移；測點N8、N9為鋼拱Ⅰ拱頂的水平位移，采用全站儀量測；測點N10、N11為主跨支座處的水平位移，采用位移計量測。表1、2與圖3、4中括號內數值為沿天橋縱軸對稱構件上的測點編號。

表1 應變測點布置Table 1 Strain measurement point arrangement

表2 位移測點布置Table 2 Displacement measurement point arrangement

圖3 靜載試驗應變測點布置(單位：mm)Fig.3 Strain measurement point arrangement for static load test(unit:mm)

圖4 靜載試驗位移測點布置(單位：mm)Fig.4 Displacement measurement point arrangement for static load test(unit:mm)

2.3 試驗加載方式

人行天橋靜載試驗通常有以下三種加載方式：1) 沙包、水泥袋堆載。特點是需人工搬運，采用標準重量沙包或水泥袋分級、分層堆載，加載效率不高，加載時不占用橋下主干道。2) 水箱加載。特點是單個水箱體積大、重量少，布載距離較長，近乎全橋均布；采用標準尺寸水箱分級、分列堆載；加載效率較高；所需設備為水箱與灑水車，加載時需占用橋下1～2條車道。3) 混凝土試塊加載。特點是單個混凝土試塊重量大，采用混凝土試塊分級、分層堆載；加載效率高；所需設備為大型吊車，加載時需占用橋下2～3條車道。綜合考慮人行天橋跨度、凈高等幾何條件以及設備、人員等因素，本次靜載試驗確定采用混凝土試塊加載方式進行加載。

人行天橋橋面標準荷載為4.05 kN/m2，采用MIDAS有限元軟件，對該結構建立空間桿系有限元模型，模型中橋面主梁與鋼拱采用梁單元，鋼支撐采用桁架單元，板式橡膠支座與橋梁的連接采用節點彈性支撐進行模擬。通過計算，得到在荷載效率范圍內的模擬試驗荷載，中跨模擬試驗荷載如圖5所示，加載區域分為左、中、右加載區域，其中，左、右加載區域試驗荷載分別為：均荷載4.0 kN/m2，橫向分布寬度4.0 m，縱向分布長度11.25 m；中加載區域試驗荷載為：均荷載3.33 kN/m2，橫向分布寬度4.0 m，縱向分布長度13.5 m.每個加載區域荷載重量均為180.0 kN.邊跨模擬試驗荷載如圖6所示，均荷載為3.93 kN/m2，橫向分布寬度4.0 m，縱向分布長度10.2 m，荷載重量為165.0 kN.

2.4 試驗荷載效率

通過有限元分析與計算，分別得到結構在標準荷載與模擬試驗荷載作用下，各構件測點的應力值與位移值，同時計算出該天橋中跨、邊跨靜載試驗的荷載效率，詳見表3，表中應力控制截面，即測點位置由荷載下內力最大的截面位置確定得出。根據《城市橋梁檢測與評定技術規程CJJ/T 233-2015》[11]，靜載試驗荷載效率應控制在0.85～1.05范圍內，表3中，本次人行天橋中跨荷載效率滿足規范要求，邊跨只有鋼拱內力對應的荷載效率為0.84，略小，所以綜合考慮，表3各控制截面測點的荷載效率能夠保證本次靜載試驗的有效性。以下圖表中應力以受拉為正，豎向位移以向上為正，水平位移以相對向外為正。

圖5 中跨模擬試驗荷載分布圖(單位：mm)Fig.5 Load distribution of mid-span simulation test(unit:mm)

圖6 邊跨模擬試驗荷載分布圖(單位：mm)Fig.6 Load distribution of side-span simulation test(unit:mm)

表3 靜載試驗荷載效率Table 3 Load efficiency of static load test

3 現場試驗

3.1 實際試驗荷載布置

人行天橋中跨、邊跨均采用混凝土試塊分三級進行加載，混凝土試塊尺寸為1 500 mm×550 mm×650 mm，單塊重15.0 kN.試驗加載工況見表4，現場中、邊跨荷載位置如圖7、8所示。

表4中，“二級加載”荷載數值為第一級加載與第二級加載的累計荷載值；一級加載，左加載區域荷載60.0 kN，計算式為15.0 kN(單塊重)×4塊=60.0 kN，其他荷載值也依此計算。圖7、8中，編號1-2含義為：“1”表示第一級加載，“2”表示第一級

表4 中跨、邊跨的加載工況Table 4 Loading conditions of mid-span and side-span

加載中，第二塊試塊的位置。

圖7 現場中跨荷載布置詳圖(單位：mm)Fig.7 Load arrangement of mid-span static load test at the site(unit:mm)

圖8 現場邊跨荷載布置詳圖(單位：mm)Fig.8 Load arrangement of side-span static load test at the site(unit:mm)

3.2 現場試驗

該人行天橋靜載試驗在夜間進行，主要儀器設備有：應變片、位移計、無線靜態數據采集分析系統、電腦、全站儀等。現場配備兩臺大型吊車，按表4逐級施加荷載，每級荷載位置準確、整齊穩定，荷載施加完畢后，逐級卸載。

試驗現場照片如圖9-12所示，由圖12可見，現場采用建筑木方對混凝土試塊進行支墊，木方位置與天橋結構橫梁位置一致，可以直接將混凝土試塊重量傳給結構橫梁，從而防止了橋面地磚被壓碎等損傷情況的發生，滿足了靜載試驗要求。

圖9 鋼拱應變測點Fig.9 Strain measurement point on steel arch

4 試驗結果

4.1 中跨靜載試驗結果

人行天橋中跨靜載試驗中，各級工況下，各應力測點的應力實測與計算結果見表5，5個豎向位移測點N4、N2、N1、N3、N5的豎向位移縱向分布如圖13所示。

圖10 應變數據采集Fig.10 Strain data acquisition

圖11 位移計量測豎向位移Fig.11 Measuring vertical displacement

圖12 現場混凝土試塊加載Fig.12 Concrete test block loading at the site

圖13 中跨位移測點N1-N5豎向位移縱向分布Fig.13 Longitudinal distribution of vertical displacement of measuring points N1-N5

表5中校驗系數為實測值與計算值的比值。

表5中未列出南北對稱測點的應力值，其數值與表中相應的對稱測點數值相近，其校驗系數均在合理范圍內。中跨靜載試驗各測點相對殘余應變的最大值為4.4%，小于20%，滿足規范要求。試驗三級加載后，位移測點N9的水平位移實測值為-3.0 mm，絕對值小于計算值-3.1 mm；三級加載后，中跨支座處位移測點N10的水平位移為0.12 mm.

表5 中跨靜載試驗各測點的應力值Table 5 Stress value of each measuring point for the mid-span static load test MPa

4.2 邊跨靜載試驗結果

邊跨在各級工況下，各測點的應力實測與計算結果見表6，3個豎向位移測點N6、N7、N4的豎向位移縱向分布如圖14所示。試驗三級加載后，支座處位移測點N10的水平位移為0.09 mm.

圖14 邊跨位移測點N6、N7、N4豎向位移縱向分布Fig.14 Longitudinal distribution of vertical displacement of measuring points N6, N7 and N4

表6中，“實測”指實測值，“計算”指計算值，“系數”指校驗系數，“三級二級卸載”指第三級、第二級卸載，“卸載”指卸載完成。

4.3 結果數據分析

對該人行天橋分別進行了中跨、邊跨靜載試驗，將各測點應力與位移校驗系數分布范圍列于表7.

《城市橋梁檢測與評定技術規范CJJ/T 233-2015》第6.4.3條規定[11]，一般鋼橋應力與位移校驗系數范圍為0.75～0.95，由表7可見，中跨、邊跨各測點應力與位移校驗系數均遠小于0.95，即主要測點的應力、豎向位移實測值均小于理論計算值。另外，鋼拱Ⅰ拱頂水平相對位移實測值均小于理論計算值；中跨支座處兩測點的相對水平位移數值很小。因此，依據《城市橋梁檢測與評定技術規范》第6.4、6.5條，該人行天橋結構工作性能良好，其承載力與剛度滿足規范及設計要求，具有一定的安全與剛度儲備。

表6 邊跨靜載試驗各測點應力實測與計算結果Table 6 Stress value of each measuring point for the side-span static load test MPa

表7 靜載試驗中，各測點應力與位移校驗系數分布范圍Table 7 In the static load test, the check coefficients range of stress and displacement for each measuring point

5 結論

本文對太原市濱河西路幸福里人行天橋-拱梁組合鋼橋進行了有限元分析與靜載試驗研究，得出以下結論：

1) 采用MIDAS有限元軟件對天橋結構進行模擬分析計算，確定出靜載試驗方案，選擇混凝土試塊加載方式，現場采用方木進行支墊，整個試驗過程未對橋面地磚等裝飾部件造成任何損傷。

2) 在試驗荷載作用下，結構各測點應力與位移校驗系數均遠小于0.95，依據《城市橋梁檢測與評定技術規范》，人行天橋結構工作性能良好，其承載能力滿足標準荷載4.05 kN/m2作用下的正常使用要求，結構具有一定的安全與剛度儲備。

3) 該人行天橋跨度大，跨越濱河西路快速路，有必要在投入運營之前對橋梁結構進行檢測分析，為人行天橋運營階段的管理與養護提供技術依據，同時對類似工程的設計、施工與檢測提供有益參考。