變高度雙層鋼桁梁節(jié)段模型靜力試驗分析

■林 吉

（福州市交通建設(shè)集團有限公司，福州 350028）

1 概述

雙層鋼桁梁橋以鋼桁梁為主桁結(jié)構(gòu)承受荷載，是雙層橋中常見的橋梁形式，由于其具有承載力高、自重輕、抗震性能好、易于施工等特點而廣泛應(yīng)用于橋梁工程。 梁橋結(jié)構(gòu)形式簡單， 受力明確，且連續(xù)梁橋是超靜定結(jié)構(gòu)，在豎向荷載作用下，支點處會產(chǎn)生負彎矩，使其跨中正彎矩顯著減小，從而提高跨越能力，非常適用于大跨度橋梁[1-3]。然而當橋梁跨徑過大時，結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，通常為了使結(jié)構(gòu)受力合理同時節(jié)省鋼材， 可以將桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計成變高度形式[4]。變高度的雙層鋼桁梁橋造型新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實際工程中鮮有已建成的案例。 目前，對該類結(jié)構(gòu)的研究較少，相關(guān)理論成果不多， 因此需要通過模型試驗對其受力性能展開研究。 本文以福州在建的道慶洲大橋為工程背景，通過開展模型試驗研究其主墩處變高度雙層鋼桁梁結(jié)構(gòu)的受力性能。 福州道慶洲大橋為公軌兩用橋，大橋上層是6 車道的城市主干道兼一級公路，下層是地鐵雙線車道。為滿足結(jié)構(gòu)受力要求，主橋采用 （120+276+120） m 對稱布置的大跨度雙層鋼桁連續(xù)梁橋，其主桁結(jié)構(gòu)采用變高度設(shè)計，邊跨及主跨跨中附近為平弦，桁高9.5 m，主墩附近桁高由9.5 m 逐漸增至23.0 m。為驗證其設(shè)計合理性，同時探究該新型結(jié)構(gòu)的受力性能，截取大橋主墩1 號墩附近6 個節(jié)間段為試驗?zāi)Ｐ停谱骺s尺模型并開展相關(guān)的試驗，試驗?zāi)Ｐ凸?jié)段如圖1 所示。

圖1 試驗?zāi)Ｐ凸?jié)段選取示意圖

2 試驗概況

2.1 模型設(shè)計

為了使試驗?zāi)Ｐ湍軌蜉^為真實地反映實橋結(jié)構(gòu)的受力特點，模型縮尺比例不宜太小，同時考慮到構(gòu)件制作及實驗室加載條件，模型縮尺比例又不宜太大。 因此將縮尺比例定為1∶5，為大比例縮尺。根據(jù)相似理論，構(gòu)件幾何相似常數(shù)以長度相似常數(shù)SL和彈性模量相似常數(shù)SE為基準進行推導(dǎo)，而荷載和材料的相似常數(shù)都是SL和SE的函數(shù)， 可通過量綱分析法獲得[5]。 其中SL=1/5，SE=1，相似常數(shù)如表1所示。

表1 試驗?zāi)Ｐ拖嗨脐P(guān)系表

模型的縮尺設(shè)計應(yīng)滿足幾何相似性原則，但由于原結(jié)構(gòu)中存在許多小尺寸及非標準尺寸的構(gòu)件，如果嚴格按照幾何相似縮尺則會導(dǎo)致模型失真，也不利于模型制作。 因此對模型的一些構(gòu)件做適當?shù)膬?yōu)化調(diào)整，并以剛度相似為控制原則，其相似偏差控制在容許范圍內(nèi)[6-7]。 縮尺后的模型主桁各桿件仍按照順橋向中心線對稱布置，主桁中心間距為3.0 m，外邊緣間距為3.2 m，單個節(jié)間長度為2.4 m，節(jié)間總長為14.4 m，桁高最高為5.32 m，模型縱向總長為15.357 m。 縮尺后的模型如圖2 所示。

圖2 縮尺后模型示意圖

模型采用與實橋相同的材料制作。 鋼桁架結(jié)構(gòu)采用Q345B 鋼材，主要由H 型鋼、方鋼管、鋼板、螺栓和其他構(gòu)件組成，各構(gòu)件加工完成后分別取樣進行材性測試， 測試合格后運往實驗室進行拼裝，主桁各桿件之間采用焊接方式進行連接，由專業(yè)人員現(xiàn)場操作。 橋面板為預(yù)制鋼筋混凝土板，混凝土采用C40，鋼筋采用HPB335，預(yù)制板在預(yù)制廠內(nèi)進行制作，養(yǎng)護至符合設(shè)計要求后進行拼裝。 各混凝土板之間通過板內(nèi)預(yù)留鋼筋焊接再用提高一級的現(xiàn)澆混凝土鋪實，混凝土板與鋼桁架結(jié)構(gòu)通過主桁及橫梁上的剪力連接件相接，從而增強其整體性。

道慶洲大橋在設(shè)計時考慮到橋梁抗震的需要，其主墩處采用雙曲面球型減隔震支座。 試驗所用主墩支座同樣按相似比對實橋支座進行縮尺，支座所用材料以及與主桁結(jié)構(gòu)的連接也與實橋相同。 同時出于對后期安裝及加載安全的考慮，設(shè)計制作4 個邊界支座與主桁兩端下弦結(jié)點相連。 整個模型通過支座呈放在鋼筋混凝土承臺上形成穩(wěn)定體系。 為了模型試驗安全進行，在模型安裝及試驗加載過程中，兩端邊界支座接近于固結(jié)。 按照圣維南原理和靜力等效原則，在截斷處施加的邊界條件只能對截斷處附近的區(qū)域產(chǎn)生明顯的影響，而對遠離截斷處區(qū)域的受力性能不會產(chǎn)生影響。 因此，在模型兩端施加邊界不會對試驗關(guān)鍵區(qū)域產(chǎn)生較大影響，能夠在一定程度上反應(yīng)實橋的受力狀況。 模型現(xiàn)場照片如圖3 所示。

圖3 模型現(xiàn)場照片

2.2 試驗加載方案

由于加載條件和試驗場地限制，試驗難以對結(jié)構(gòu)施加均布荷載。 因此采用集中力的形式加載，通過200 t 的油壓千斤頂（行程200 mm）對結(jié)構(gòu)施加豎向集中荷載，同時通過在主桁上弦桿處配置鋼筋混凝土試塊進行恒載配重。 根據(jù)JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》，橋梁結(jié)構(gòu)的靜載試驗應(yīng)按結(jié)構(gòu)的最不利受力原則和代表性原則確定測試截面和試驗工況，對于本次試驗的模型結(jié)構(gòu)以主跨支點最大支反力和跨中最大正彎矩工況確定試驗加載點， 因此分別選取主墩處上弦節(jié)點A3 及跨中處上弦桿節(jié)點A5 為加載點， 根據(jù)加載點設(shè)計相關(guān)工況如表2 所示（其中對稱加載表示對結(jié)構(gòu)2 片主桁同時進行加載，偏載加載表示對結(jié)構(gòu)內(nèi)測主桁進行單獨加載）。

表2 試驗加載工況

試驗采用分級加載的方式， 每級荷載增量為50 kN， 每級荷載持荷3～5 min 待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行采集。 正式加載前先進行預(yù)加載，預(yù)加載同樣為每級50 kN 分級加載的形式，預(yù)加載后間隔1 d 進行正式加載。 同時對反力架、分配梁等試驗裝置進行相關(guān)的強度、剛度及穩(wěn)定性驗算以確保試驗加載安全。 試驗加載的現(xiàn)場照片如圖4 所示。

圖4 試驗現(xiàn)場加載照片

2.3 測點布置

本次試驗的測試內(nèi)容為豎向位移 （即撓度）和應(yīng)力。 在模型的關(guān)鍵節(jié)點處設(shè)置位移測點，每個測點布置1 個位移計測量結(jié)構(gòu)的豎向位移，同時在主墩及邊界支座處各布置1 個位移計測量模型的豎向沉降，每個位移計均用磁性表座固定。 另外，在主桁關(guān)鍵桿件的桿中位置設(shè)置應(yīng)變測點，上下弦桿按桿件上下緣對稱粘貼雙向應(yīng)變片，腹桿按桿件左右緣對稱粘貼雙向應(yīng)變片。 考慮到對試驗數(shù)據(jù)的校核， 位移計及應(yīng)變片均按兩主桁橫向?qū)ΨQ布置，整個模型共布置20 個位移計，152 片應(yīng)變片。 位移計及應(yīng)變片布置如圖5 所示。

圖5 模型測點布置

3 試驗結(jié)果及其分析

3.1 試驗概述

試驗分2 個階段完成，首先進行主墩處加載工況（工況1 和工況2），而后將反力架及千斤頂移至跨中開展跨中處的加載工況（工況3 和工況4），采用JM5951 快速應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。 加載過程中根據(jù)試驗現(xiàn)象及實時數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的受力狀況。 加載初期，結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)變數(shù)據(jù)較小，模型及加載裝置無明顯變化。 隨著荷載增加，數(shù)據(jù)變化較為明顯，但仍然處于彈性階段，位移、應(yīng)變與荷載呈較好的線性關(guān)系。 當荷載超過600 kN 后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動，觀察到混凝土橋面板在加載點處出現(xiàn)裂縫，反力架也出現(xiàn)略微的傾斜，此時停止加載， 后期處理中以600 kN 為試驗最大加載量。 位移、應(yīng)力主要測試結(jié)果如表3、4 所示（其中主墩及邊界支座處位移實測值非常小，因此忽略結(jié)構(gòu)支座沉降）。

表3 位移測試結(jié)果

3.2 豎向?qū)ΨQ荷載作用下的受力狀態(tài)分析

工況1 和工況3 為豎向?qū)ΨQ加載工況，分別在主墩及跨中處施加豎向荷載，從而分析主桁結(jié)構(gòu)的受力狀況。 圖6 為工況1、3 作用下，結(jié)構(gòu)上下弦桿的撓曲線圖。 由圖可知主桁上下弦桿的撓度均在加載點處達到最大，而后向結(jié)構(gòu)兩端遞減，工況3 作用下主墩處測點1 甚至出現(xiàn)向上的位移。 這是因為兩端邊界支座在加載中近似于固結(jié)，在豎向荷載作用下產(chǎn)生豎向位移很小， 而主墩處會產(chǎn)生負彎矩，因此出現(xiàn)向上的位移。

圖6 工況1、3 作用下主桁豎向撓曲線圖

同時，由圖可知，工況1 作用下結(jié)構(gòu)的撓度要小于工況3 作用下的撓度。 根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)可知，在工況1 作用下，上弦桿最大撓度為1.85 mm，位于測點2（即加載點處），下弦桿最大撓度為1.45 mm，位于測點6 處；工況3 作用下，上弦桿最大撓度為2.93 mm，位于測點4（即加載點處），下弦桿最大撓度為2.70 mm，位于測點7 處。這說明結(jié)構(gòu)在主墩處剛度更大，因此產(chǎn)生的豎向撓度更小。

表5、6 是工況1 和工況3 作用下主桁各桿件的應(yīng)力實測值，為了解各桿件的應(yīng)力水平，根據(jù)原橋設(shè)計規(guī)范對全橋進行受力分析，計算在設(shè)計荷載最不利活載組合下桿件的應(yīng)力值，然后根據(jù)相似理論換算后稱為設(shè)計值，將各桿件應(yīng)力實測值與設(shè)計值進行對比。

表5 工況1 作用下主桁各桿件應(yīng)力

表6 工況3 作用下主桁各桿件應(yīng)力

由表可知， 主桁上下弦桿大致表現(xiàn)為上緣受壓，下緣受拉的受力形式，與普通桁架受力相近，但桿件上下緣受力往往不同，有時相差很大，表明桿件除受軸向力外還受到較大的彎矩效應(yīng)的影響。 腹桿在豎向荷載作用下左右緣均表現(xiàn)為受壓狀態(tài)且腹桿應(yīng)力水平明顯高于上下弦桿，表明在豎向荷載作用下，腹桿受力較大，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵桿件，其中主墩處腹桿由于受主墩處支反力影響受力更大，應(yīng)做重點關(guān)注。

通過將桿件應(yīng)力實測值與設(shè)計值進行對比可知，在各工況作用下，桿件應(yīng)力實測值總體大于設(shè)計值，實測值一般為設(shè)計值的1～3 倍，有的達到5～7 倍，表明試驗加載量已遠遠超過原橋設(shè)計荷載水平，而結(jié)構(gòu)仍未屈服，說明結(jié)構(gòu)強度大，安全儲備充足。

由于在試驗加載過程中，腹桿應(yīng)力較大，因此對主墩處腹桿A3E2 以及跨中處腹桿A5E5 進行穩(wěn)定性驗算。 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》[9]，按軸向受壓穩(wěn)定對腹桿進行驗算，公式為：

式中：N 為計算軸向力；Am為毛截面積（N/Am表示桿件應(yīng)力）；φ1為中心受壓桿件的容許應(yīng)力折減系數(shù)，可根據(jù)鋼種、截面形狀及驗算所對的軸按規(guī)范規(guī)定取值；對腹桿A5E5 取0.823；對腹桿A3E2取為0.757；[σ]為鋼材軸向容許應(yīng)力，對試驗所用Q345B 鋼，按規(guī)范取為200 MPa。 將腹桿實測應(yīng)力帶入可得：

3.3 豎向偏載荷載作用下的受力狀態(tài)分析

工況2 和工況4 為偏載加載工況，是為了分析結(jié)構(gòu)在豎向偏載荷載作用下的受力狀態(tài)。 圖7 為工況2、4 作用下，結(jié)構(gòu)加載側(cè)主桁上下弦桿的撓度曲線圖。

圖7 偏載工況作用下主桁豎向變形圖

由圖可知，結(jié)構(gòu)豎向撓度趨勢與對稱荷載下的撓度趨勢無異，由表3 可知，加載側(cè)主桁的豎向撓度遠大于非加載側(cè)的撓度，卻小于對稱加載下的撓度，偏載加載下結(jié)構(gòu)的豎向撓度一般為對稱加載下結(jié)構(gòu)豎向撓度的80%～90%左右。 由表4 可知，在偏載荷載作用下，主桁桿件的受力形式與對稱荷載作用下主桁結(jié)構(gòu)的受力形式一致，主桁上下弦桿基本表現(xiàn)為上緣受壓下緣受拉且上下緣相差較大，而腹桿左右緣均表現(xiàn)為受壓， 應(yīng)力水平也高于上下弦桿，這表明偏載或?qū)ΨQ加載并不影響結(jié)構(gòu)的受力形式，其中工況2 作用下的主桁桿件的實測應(yīng)力一般為工況1 作用下主桁桿件實測應(yīng)力的80%～90%，工況4 作用下主桁桿件應(yīng)力一般為工況3 作用下桿件應(yīng)力的70%～80%，可見偏載工況不控制設(shè)計。

表4 應(yīng)力測試結(jié)果

4 結(jié)論

針對道慶洲大橋主橋變高度鋼桁梁節(jié)段開展了1∶5 的縮尺模型試驗，通過試驗研究其受力性能，得出以下結(jié)論：

（1）試驗加載過程中，結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力較小，豎向最大位移為2.93 mm， 最大實測應(yīng)力為74.28 MPa。 通過對應(yīng)力實測值及設(shè)計值的對比可知，試驗加載量雖已超過最大設(shè)計荷載，但結(jié)構(gòu)仍然處于彈性階段， 可見結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力，安全儲備較高。

（2）在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)主桁腹桿主要受軸力，其左右翼緣應(yīng)力相差較小，而上下弦桿除受軸向力作用外還受到較大的彎矩影響，故其上下翼緣應(yīng)力相差較大。 設(shè)計時，應(yīng)著重關(guān)注主桁上下弦桿的抗彎剛度和腹桿的軸向抗壓強度及穩(wěn)定性。 此外，主墩處腹桿由于受主墩支反力影響，在豎向荷載作用下壓應(yīng)力較大，設(shè)計時應(yīng)重點驗算。

（3）在豎向偏載作用下，結(jié)構(gòu)主桁的變形及受力形式與對稱加載一致，由此可見偏載或?qū)ΨQ加載并不影響結(jié)構(gòu)的受力，但偏載作用下結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力普遍小于對稱加載，可見偏載并不控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

（4）變高度雙層鋼桁梁結(jié)構(gòu)桿件形式多樣且受力復(fù)雜，經(jīng)過合理設(shè)計，其受力性能可以得到滿足，還可通過進一步的優(yōu)化設(shè)計提高其整體受力性能。