連續曲線鋼箱梁荷載試驗及有限元分析

朱春鳳，艾化學，肖 波，徐 彬，劉 浩，田 偉，金玉杰

（1.吉林建筑大學 土木工程學院，長春 130118；2.長春市市政工程設計研究院，長春 130041）

隨著城市交通的快速發展，城市橋梁建設不斷向著更輕、更大跨度、更節省材料、更美觀方向發展。連續曲線鋼箱梁結構的整體性好，在跨中與支點的正、負彎矩能力幾乎相等，能節省張拉預應力鋼束的煩瑣步驟，施工工序也得到了極大的簡化，并且鋼箱梁截面為閉口空心形式，環狀結構有著很好的抗彎、抗扭能力，當材料量一定時，箱型結構可以比其他的截面形式的抗彎、抗扭剛度更大，因此曲線鋼箱梁橋在城市立交系統中發揮著極為重要的作用。中外眾多學者對曲線連續梁橋進行了研究。Hu 等［1］、Tryland 等進行了鋼箱梁的試驗研究及有限元分析，研究表明鋼箱梁極限承載力的試驗實測值與有限元數值結果之間的誤差較小。陳海濱［3］利用梁格法對異形鋼箱梁橋進行設計與分析。陳博［4］對異形混凝土鋼箱梁進行了靜力性能研究。盧群［5］運用有限元計算軟件建立了箱橋梁的結構分析計算模型，計算了橋梁的設計承載力。羅國慶［6］對連續鋼箱梁橋靜動載效應計算進行了計算研究。姚亞東等［7］、羅鴻等［8］對大跨度箱梁橋進行了有限元及試驗研究，得出在計算荷載作用下，結構應力水平較低的結論。李青等［9］對組合箱梁橋承載能力進行了試驗研究，得出橋梁的極限承載力。劉斌［10］分析了曲線鋼箱連續梁橋極限承載能力，得出該結構承載能力高等的特點。本文依托實際工程，對連續曲線鋼箱梁橋進行靜荷載與動荷載試驗的試驗概況、試驗檢測過程和結果進行介紹，基于試驗結果進行受力狀態分析，結合有限元理論進行承載力及變形計算分析，得出連續曲線鋼箱梁橋的承載力及變形，以期為今后此橋梁建設提供有效的理論基礎。

1 工程概況

依托吉林省某快速路系統工程中變截面連續鋼箱梁橋進行研究。橋梁全長210 m，跨徑為65+80+65 m，橋寬25 m，雙向六車道。邊支點梁高3 m，中支點梁高5 m。雙柱式花瓶墩，摩擦樁基礎。橫斷布置：0.5 m（橋側護欄）+11.75 m（車行道）+0.5 m（中央護欄）+11.75 m（車行道）+0.5 m（橋側護欄）=25 m，橋面雙向1.5%橫坡，荷載等級為公路I 級，鋼材等級為Q345qE。

2 有限元模型

有限元模型如圖1所示，共2 056個節點和3 660 個單元。

圖1 MIDAS 全橋模型

3 靜力荷載試驗

3.1 試驗項目

靜力荷載試驗主要包括以下兩方面：1）主梁正彎矩控制截面應變及撓度檢測。2）支點負彎矩控制截面應變檢測。

3.2 試驗工況

加載車輛為40 t，分級加載，分為5 種工況，見表1。數據只給出有代表性的前3 種進行對比分析。

表1 靜力荷載試驗工況

3.3 測點布置

連續曲線鋼箱梁各截面的位移測試點為每跨支點、四分點和跨中處，應變測試點為跨中和兩個中支點的位置，具體位置如圖2 所示。

圖2 連續箱梁主橋位移和應變測試點布置

采用型號為JMZX-212 振弦式應變計進行測量，采用數顯百分表測量撓度。試驗前和試驗過程中需要對每個觀測截面的部位裂縫情況通過裂縫測寬儀觀測其寬度及變化。測試結果見表2。

表2 靜載試驗荷載效率測試結果

3.4 靜載試驗結果及分析

3.4.1 撓度測試結果

根據實際測試結果，在所劃分的三至四級劃分中，均為最后一級結果的荷載效率最大。因此這里只列出在最后一級荷載作用下不同工況的試驗結果，分別見表3～表5，計算值與試驗值對比如圖3 所示。

表3 工況1 各測點豎向位移（撓度）計算結果和試驗結果對比

表5 工況3 各測點豎向位移（撓度）計算結果和試驗結果對比

表4 工況2 各測點豎向位移（撓度）計算結果和試驗結果對比

各測點在卸除荷載后，其最大相對殘余變形量為8%，橋梁檢測規范所規定的極限值為20%，該橋沒有超過這一限定，其現階段工作狀態可近似認定為彈性工作，并且圖3 表現出荷載與其作用下所產生的撓度具有很好的相關性，從表3～表5 可以查得撓度的校驗系數最大為0.95。試驗荷載作用下的測試結果均小于理論計算結果，也說明該橋的豎向剛度滿足使用要求。

圖3 各工況條件下測點計算值與試驗值對比

3.4.2 應變測試結果

同撓度測試結果相同，只列出在最后一級荷載作用下不同工況的試驗結果，分別見表6～表8。表中第1 跨、第2 跨和第3 跨分別代表N13～N14 跨、N14～N15 跨和N15～N16 跨，中支點1、中支點2 則代表N14 號墩、N15 號墩處支點。

表6 工況1 各測點豎向應變計算結果和試驗結果對比

表7 工況2 各測點豎向應變計算結果和試驗結果對比

表8 工況3 各測點豎向應變計算結果和試驗結果對比

經過分析各點應變的理論和實測值，能夠計算各點的殘余應變量，卸載后的最大殘余應變相對量為13%，滿足規范要求，應變校驗系數最大為0.88，證明該橋在發生形變后恢復原始形狀的能力較強。

經過5 個工況的車輛荷載計算后，對橋梁的內力、應力和位移的實際測量與理論結果對比分析可知：

1）施加公路I級荷載后，最大正彎矩為6.522 7×103 kN·m，位于第3 跨跨中位置，第1 跨為曲線鋼箱梁，受曲率半徑和材料屬性的影響，其最大正彎矩稍小于第3跨的最大正彎矩，而最大負彎矩為8.267 2×103 kN·m，位于N15 號墩支座處。

2）從N14 號墩和N15 號墩的剪力影響線可以得出第1 跨能引起最大正彎矩的影響線范圍要遠大于第3 跨。

3）在各種靜力工況下，鋼箱梁的最大正應力為29.02 MPa，最小正應力為-13.61 MPa，均未超過設計值，最大應力的變化規律與彎矩的變化規律大致是一致的；鋼箱梁的最大剪應力為9.12 MPa，最小剪應力為-9.93 MPa；在各種靜力工況下，鋼箱梁的撓度最大值為22.90 mm。

4）經過靜力荷載試驗所獲得數據的分析，不同工況下的撓度和應變的實測值、理論值所計算的校驗系數均小于規范規定的限值，表明橋梁的豎向承載能力滿足使用的要求，并且撓度也小于L/600 的要求。相對殘余應變和變形量小于20%，也表明鋼箱梁比預應力混凝土箱梁恢復能力更佳。

4 動力荷載試驗

4.1 動力試驗實施方案

本次試驗主要測定結構的振動特性，包括結構自振頻率的測定及結構自振阻尼比的測定，在橋面無任何外界振源激勵的前提下，通過動力測試系統來測定因隨機荷載激振引起橋梁結構微小振動的響應，測得橋梁結構的自振頻率及振型等動力學特征。結構自振特性計算結果見表9；主橋結構前兩階振型如圖4 所示。

表9 橋梁自振頻率

圖4 結構前兩階振型

4.2 試驗結果及分析

實測頻率及阻尼比見表10。

表10 模態試驗分析結果

通過對連續鋼箱梁橋進行環境激勵試驗以后，采用模態分析方法，通過加速度信號的處理生成頻響函數，從加速度響應力學指標中分析出橋梁結構的動力特性基本參數。模態計算值與試驗測試值的比較見表11。根據實測動力參數，對橋梁的動力使用性能進行評價。

表11 模態計算與試驗值比較

頻率測試結果表明，橋跨檢測動剛度滿足設計要求。阻尼比實測結果表明，橋跨檢測整體工作性能較好，具有一定的耗能能力。

綜上，橋跨檢測的動力使用性能滿足設計要求。

5 結論

通過對連續鋼箱梁橋進行靜動載試驗及計算分析，得出以下結論：

1）根據連續鋼箱梁的靜力計算及測試數據，曲線梁段的最大彎矩值小于直梁段，剪力影響線范圍大于直梁段。

2）連續鋼箱梁的靜力理論計算值和實測值符合較好，各項指標均在規范限值容許范圍之內，且鋼箱梁變形恢復能力比預應力混凝土箱梁更佳。

3）動載試驗結果表明，鋼箱梁橋跨動剛度滿足設計要求，具有一定的耗能能力，橋跨檢測的動力使用性能滿足設計要求。