鋼-混組合連續梁-V腿連續剛構橋靜載試驗研究

曾勇 李勇岐 余滔 敖付勇 何孟黎 何孟松

1.重慶交通大學山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室 400074

2.重慶交通大學山區橋梁結構與材料教育部工程研究中心 400074

3.重慶市軌道交通（集團）有限公司 400042

引言

鋼-混組合結構是指由鋼材與混凝土材料構成的結構或構件，在荷載作用下可以共同受力、變形協調的結構［1］。該結構充分發揮了鋼材和混凝土的材料性能，具有承載力高、剛度大、抗震性能和動力性能好、構件截面尺寸小、施工快捷方便等優點［2］。與鋼筋混凝土結構相比，鋼-混組合結構可以減小構件尺寸，減輕結構重量，便于安裝，縮短工期。與鋼結構相比，組合結構可以減少用鋼量，增加剛度，提高結構的穩定性和完整性，提高結構的抗震性能［3］。鋼-混組合連續梁-V腿連續剛構橋是由V形墩（V形墩）和組合連續梁墩梁固結形成的新型結構。它既有組合連續梁的受力特征，又有V腿剛構橋的受力特征。鋼-混組合連續梁橋可以很多跨一聯甚至全橋連續，這樣既能保證行車的平順性又可以節約設置橋梁伸縮縫的費用。

在橋梁的實際使用中，橋梁可能會受到荷載、環境、結構缺陷等因素的影響，導致結構性能的下降［4］。為了保證連續剛構橋在運營階段的穩定性，有必要通過結構現場檢測，確定既有結構的現狀以及在設計荷載作用下結構是否安全可靠［5］。在橋梁運營階段常采用荷載試驗的方法評估橋梁的實際承載能力。對于一些常見橋型已有許多荷載試驗的研究，如劉兵偉［6］等對大跨連續剛構橋進行荷載試驗提出了相應維修加固意見；王雅俊［7］對雙索面斜拉橋進行了荷載試驗研究為斜拉橋的長期健康監測提供了一個較為準確的理論參考模型；白俊英［8］對橋梁荷載試驗的加卸載方式進行改進提出了準靜態荷載試驗快速評估方法。現階段對于鋼-混組合連續梁-V腿連續剛構橋的荷載試驗研究較少。本文參考某鋼-混組合連續梁-V腿連續剛構橋，通過靜力加載試驗，研究受力特性。

1 工程概況

某已建成鋼-混組合連續梁-V腿連續剛構橋，其跨度為20m＋24m＋34m＋56m＋34m，立面布置如圖1所示。該橋橋面板寬8.9m，橋面凈寬8m，設計荷載為公路Ⅱ級，雙車道布載。該橋主梁全橋結構連續，僅在橋臺設置伸縮縫，行車平順性好。主梁截面為雙主梁（開口π型）鋼-混組合截面，主梁斷面如圖2所示。下部結構的P1、P2橋墩為豎直墩，墩梁之間設置支座，P3、P4墩采用V形墩，并用高強螺栓與主梁固結。該橋的實橋照片如圖3所示。鋼梁為耐候鋼，該橋是目前唯一建成的鋼-混組合連續梁-V腿連續剛構橋。

圖2 橋梁典型斷面（單位：cm）Fig.2 Bridge typical section（unit：cm）

圖3 實橋照片Fig.3 Real bridge photo

該橋橋面板為預制鋼筋混凝土結構，中心線位置板厚約為0.3m，在與栓釘結合位置板厚為0.35m，單塊預制板橫橋向為預留了剪力釘群孔的一塊整板。預制板橫橋向長8.9m，縱橋向寬3m。鋼主梁標準梁高1m，在V腿墩頂附近主梁變高到1.6m，鋼梁下翼緣寬度從0.6m變寬到0.8m，主要采用工字形截面，并帶有外封板，如圖4所示。

圖4 V腿一般構造（單位：m）Fig.4 V-leg general structural diagram（unit：m）

2 試驗方案

2.1 等效荷載

首先對實橋進行外觀檢查，判斷其是否有明顯結構缺陷，檢測其結構尺寸是否符合設計要求、螺栓連接等是否滿足要求。這些條件都滿足時，按照當前《公路橋梁荷載試驗規程》對其進行荷載試驗。主要加載工況的靜力荷載效率系數位于0.86～0.96之間，滿足規范。以車輛荷載作為等效荷載加載手段，如圖5所示。車型參數：前軸6t；中后軸共重21t；a＝3.5m；b＝1.4m。車輛橫向加載位置，按橫向最不利情況考慮，即偏載工況，如圖6所示。

圖5 車型示意Fig.5 Vehicle schematics

圖6 車輛荷載橫向布置（單位：cm）Fig.6 Diagram of vehicle load lateral arrangement（unit：cm）

2.2 測點布設

根據有限元計算模型得到的內力包絡圖，取測試斷面（J1、J2、J3、J4）如圖1所示，荷載效率系數見表1。車輛的縱向布置位置根據影響線加載計算，車輛荷載縱向布置如圖7所示。

表1 各試驗工況荷載效率Tab.1 Load efficiency under each test condition

圖7 縱向布載示意（單位：m）Fig.7 Longitudinal loading schematics（unit：m）

橫橋向應力、縱向撓度測點如圖8所示，分別布置在同一個截面的左右兩側。

圖8 測點布置示意Fig.8 Location of measuring point

對結構進行試驗時，先預壓、消除非彈性變形，然后分級加載，分級卸載；觀測并記錄加載過程中相應的應力和撓度數據。

3 有限元建模

本文利用Midas FEA建立實體模型，考慮栓釘的模擬。其中橋面板采用實體單元進行模擬，鋼梁和V腿墩則采用板單元進行模擬，全橋實體模型如圖9所示。

圖9 全橋實體模型Fig.9 Entire bridge entity model

模擬栓釘時，首先保證橋面板與主梁結合位置的網格劃分一一對應，但實體單元和板單元之間留有極小的間距，此時，可選取“最近的連接”使得三維網格可以和二維網格在選中的位置批量連接。連接方式采用彈性連接單元，此時可賦予連接單元不同向的剛度去約束節點。V腿墩底部和工字梁底部邊界均采用剛性連接的方式。

4 試驗結果分析

按照實際車輛所在位置，用任意點荷載模擬車輪局部荷載，進行加載計算。對比荷載作用下的實橋撓度與有限元計算撓度，同時對比鋼梁的應力。不同荷載下全橋實測撓度與計算撓度對比如圖10所示。

圖10 實測撓度與計算撓度值對比Fig.10 Comparison between measured deflection value and calculated deflection value

經過實橋試驗，測得該橋實際加載時，V腿墩頂撓度不同于豎直墩，在受到活載作用下該處位移不為0，說明V腿會參與到主梁受力中，此時V腿的剛度會影響成橋的撓度。有限元計算撓度與實橋測試較為吻合，說明本文計算模型對實橋撓度的模擬較好。

橋梁加載試驗中，各控制截面實測撓度值均小于計算值，撓度驗算系數在0.75～0.95之間的合理范圍。實測撓度最大為13.65mm，是所在跨跨徑的1/2344。在全部卸載后，控制測點的最大實測相對殘余變形值為17.1%，小于規范限值。試驗過程中發現在活載作用下，鋼-混組合連續梁-V腿連續剛構橋的V腿墩頂存在下撓現象。

J1～J4截面各測點應變如圖11所示。分析各截面鋼梁應變，在荷載作用下，鋼梁的J1、J2、J3截面出現全截面受拉。對比J3、J4截面中的應變片1和6、7和12，這些位置可以看見偏載作用下鋼主梁上翼緣板在主梁內側和外側大小不等，實際在有限元中也體現了這個區別，說明Midas FEA對該橋應力的模擬較好。

圖11 鋼梁應變Fig.11 Strain of steel beam

在試驗設計荷載作用下，鋼梁的應力校驗系數均位于0.75～0.95之間，最大相對殘余應變值為15.0%，符合規范的要求；實測混凝土橋面拉壓應變很小，混凝土橋面總應力校驗系數分布在0.45～0.95之間，最大相對殘余應變值為15.4%，實測應力不大于計算應力且滿足規范要求，混凝土橋面板強度滿足要求。

5 結語

本文針對某鋼-混組合連續梁-V腿連續剛構橋，對試驗橋跨結構進行靜載試驗，荷載效率為0.86～0.96，試驗過程中未有異常現象，滿足規范要求。在試驗荷載作用下，各控制截面實測撓度值均小于計算值，撓度驗算系數在0.75～0.95之間的合理范圍；鋼梁的應力校驗系數均位于0.75～0.95之間，混凝土橋面總應力校驗系數分布在0.45～0.95之間。表明試驗橋梁受力正常，能夠達到設計要求。

通過實橋試驗，發現在活載作用下，鋼-混組合V腿連續剛構橋的V墩墩頂會有下撓；鋼梁應力呈現較好的規律，但通過混凝土板的應力水平評定橋面板與主梁的結合程度卻有一定難度。