某鋼管桁架人行棧道荷載試驗方法研究

林月云

(三明市建設工程質量服務中心 福建三明 353000)

0 引言

近年來，隨著我國綠色環境設施建設的不斷發展，許多城市森林公園都陸續建成各式風格的觀光休閑人行棧道。鋼管桁架結構因其跨越能力強、拼裝速度快等優勢，越來越多應用到人行棧道、天橋中[1-3]。由于我國鋼結構安裝水平的參差不齊，施工過程往往存在一定的誤差、缺陷和損傷，近年來鋼結構倒塌事故的頻繁發生，也說明了對鋼結構施工質量的把控尤其重要。根據閩建建〔2013〕44號文要求，對于多跨孔徑總長超過30 m或單跨孔徑20 m及以上的市政橋梁，以及采用新材料和新工藝的，應在設計文件注明在竣工驗收前進行橋梁荷載的試驗要求。某城市新建一環山鋼管桁架人行棧道待投入使用，為提前了解建成后該結構在游客人群荷載下的服役狀態，提前預警可能出現的安全性風險，本文依據現行檢測技術標準，對其在靜力設計載荷作用下的使用性能進行檢驗，分析其承載功能，對后續運行使用及維護提供技術參考和依據。

1 工程概況

本工程棧道主梁為鋼管桁架結構，并由Y字型或V字型鋼柱支撐，柱基礎采用人工挖孔樁或人工挖孔墩。

本次檢測選取一段跨度約為12.34 m的人行棧道，棧道兩側通過螺栓節點板與型鋼柱支撐鉸接。棧道面板總寬度為3 m，桁架節點構件均采用Q345全焊接鋼結構。

兩側設鋁合金傾斜欄桿，立柱高2.7 m。立柱與立柱間距1.2 m～1.9 m不等，欄桿立柱上設三道扶手。立柱底部通過10 mm厚鍍鋅板連接件通過螺栓與鋼桁架連接。欄桿立柱鋼板與桁架鋼管的節點板通過螺栓連接，利用板件螺孔承壓、螺桿抗剪來提供欄桿立柱反力。

人行棧道現場實景照片如圖1所示，其結構立面示意圖和橫斷面示意圖如圖2～圖3所示。

根據結構設計單位提供的設計資料：人群活荷載為4.7 kN/m2，桁架吊掛荷載為0.5 kN/m2，欄桿水平荷載為2.5 kN/m，欄桿豎向荷載為1.7 kN/m。

圖1 某人行棧道

圖2 鋼桁架棧道立面示意圖

2 試驗方案

本工程的人行棧道鋼桁架結構，依據《建筑結構檢測技術標準》(GB/T 50344-2004)[4]第6.9章的相關規定進行結構性能實荷檢驗。

由于該人行棧道即將投入使用，因此，本次檢驗僅對其進行使用性能檢驗，即證實結構在規定荷載的作用下不出現過大的變形和損傷，經過檢驗的結構應能正常使用。主要檢測方法如下：

(1)通過人行棧道靜載試驗，測試主體鋼桁架結構在檢驗荷載作用下的荷載-變形曲線，以及卸載后的殘余變形，檢驗鋼桁架主體結構的靜力性能是否滿足規范要求。

(2)對棧道欄桿立柱進行水平推力加載試驗，以檢驗欄桿結構性能。

(3)通過對試驗觀測數據和試驗現象綜合分析，對實際結構做出總體評價，為竣工驗收提供技術依據。

3 結構靜載試驗

3.1 試驗荷載分析

人行棧道均采用跨內荷載滿布的形式進行加載。由于棧道主要管道及吊具已經安裝完成，因此荷載試驗僅需考慮可變活荷載。根據標準[4]附錄H中的相關規定，可變荷載的分項系數取為1.25。由于天橋上吊掛燈具已經安裝完成，活荷載僅依據設計資料選取人群活荷載4.8 kN/m2作為檢驗荷載。將總施加的荷載平均分為5級來進行分級加載，每一級加載到規定荷載后持荷不低于1 h，并每隔15 min測量一次棧道變形，當變形數值不再明顯增加則開始下一級加載。每一級加載完成后應對棧道主體結構各桿件、節點進行人工巡查，確認有無明顯變形和損傷。

3.2 測點布置

棧道的變形測量主要針對跨中的豎向位移進行。在棧道跨中、兩側Y型鋼柱支撐處3個橫斷面內，均設置兩個左右對稱的位移測點，如圖3所示。跨中豎向位移需通過試驗經支座位移進行修正得到。

圖3 鋼管桁架棧道位移測點示意圖

3.3 試驗過程及結果

采用木模板內鋪塑料膜的方式，在棧道面板上搭設蓄水池，然后通過附近的消防水管引入塑料膜內的方式加載。通過鋼尺測量模板內的蓄水高度，確定加載的荷載數值大小。現場加載情況如圖4所示。

圖4 鋼管桁架棧道蓄水加載

本次靜載試驗共分為5級加載，分別為20%、40%、60%、80%、100%。各級荷載為1.2 kN/m2、2.4 kN/m2、3.6 kN/m2、4.8 kN/m2和6.0 kN/m2。

每級加載后均應檢查棧道各構件安全狀態。加載過程中，若發現荷載-位移曲線出現明顯非線性，或結構構件工作狀態出現異常時，應立即停止加載。

加載完成后進行卸載，當模板內蓄水全部抽出后繼續測量棧道的殘余變形。

現場測點的跨中橫斷面測點1和測點2的最大變形和殘余變形數值，如表1所示。由表1可以看出，卸載后棧道跨中殘余均不大于標準[4]附錄H中規定的最大變形值的20%。

表1 棧道跨中位移測點最大變形和殘余變形 mm

鋼管桁架人行棧道跨中橫斷面荷載-位移曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，跨中位移測點的荷載變形曲線基本為線性關系，說明滿載作用下棧道主體結構處于彈性階段。經過現場人工巡查，各桿件、節點未見明顯變形和損傷。

以上分析結果表明，所測試的鋼管桁架人行棧道使用性能滿足標準[4]的相關要求。

圖5 鋼管桁架人行棧橋跨中橫斷面荷載-位移曲線

4 欄桿水平荷載推力試驗

4.1 試驗荷載分析

對棧道跨內選取2根欄桿立柱進行水平推力試驗。在進行荷載試驗時，忽略欄桿扶手的橫向分布作用，假定欄桿立柱單獨受力，通過兩側扶手長度換算欄桿立柱上水平等效檢驗推力。根據標準[4]附錄H中的相關規定，可變荷載的分項系數取為1.25。

4.2 測點布置

水平方向位移測點位于立柱頂部。欄桿位移測點和加載裝置如圖6～圖7所示。

圖7 棧道欄桿立柱推力試驗

4.3 試驗過程及結果

采用槽鋼及方鋼通過螺栓連接成整體作為荷載的傳力裝置，以另一側欄桿作為反力裝置。裝置安裝后，將油壓千斤頂安置在槽鋼內部，千斤頂頂出方向指向試驗欄桿，作用點為欄桿立柱的頂端。

用手動油泵向千斤頂油缸充油，對被檢測的欄桿立柱施加水平推力荷載。試驗分3級加載，各級荷載比例為檢驗荷載值的40%、80%、100%。

所抽取兩根欄桿立柱的試驗結果見表2所示。

表2 棧道水平位移測點1、測點2最大變形和殘余變形數值 mm

圖8 測點1欄桿荷載-水平位移曲線

圖9 測點2欄桿荷載-水平位移曲線

由表2及圖8～圖9可以看出，所有測點荷載-水平位移曲線均表現出較好的線性關系。在滿載情況下，欄桿立柱測點1最大彈性變形值為26.94 mm，殘余變形1.32 mm，相對殘余變形為4.9%；欄桿立柱測點2最大彈性變形值為15.04 mm，殘余變形1.00 mm，相對殘余變形為6.7%。欄桿的殘余變形均小于標準[4]中規定的20%限值。經現場人工巡查發現，棧道欄桿各桿件、節點未見明顯變形和損傷。

以上分析結果表明，所測試的鋼管桁架人行棧道欄桿使用性能滿足標準[4]的相關要求。

5 結論

本文對某鋼管桁架人行棧道進行了豎向靜力荷載試驗和水平欄桿推力試驗，分析鋼管桁架人行棧道及其欄桿立柱的使用性能，得到如下結論：

(1)該方法能有效檢測出人行棧道在豎向設計荷載作用下，其荷載-變形曲線基本成線性關系及殘余變形。

(2)該方法能有效檢測出人行棧道欄桿立柱在水平推力設計荷載作用下，其荷載-變形曲線基本成線性關系及殘余變形，且不會損傷或導致人行棧橋發生變形。

(3)實踐證明，該檢測方法切實有效、方便快捷，為今后人行棧橋的使用性能檢測提供了一種新的方式，對同類型橋梁的檢測具有極大的參考價值。