Z B-200型簡支貝雷梁鋼便橋靜力荷載試驗研究

郭延飛，陳佳佳，王國煒，亓興軍

（1.山東高速基礎設施建設有限公司，山東 濟南 250101；2.四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041；3.濟南金衢公路勘察設計研究有限公司，山東 濟南 250101；4.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101）

0 引 言

隨著經濟社會的不斷發(fā)展，工程建設中廣泛應用裝配式公路鋼橋器材架設臨時鋼便橋、應急橋梁、“橋橋”施工塔架、支撐架、棧橋和工作平臺等多種裝配式鋼結構，臨時便橋施工在道路保通過程中為應急搶修搶建積累了豐富的實踐經驗。貝雷梁鋼便橋以構造簡單、自重輕、方便快速架設及可循環(huán)利用等優(yōu)勢在工程中得以廣泛應用，尤其在抗震搶險救災的時候，作為架設運送物資的便橋起到了關鍵作用[1]。貝雷梁鋼便橋作為臨時橋梁結構使用時，一般需要滿足大型重載車輛的通過要求，因此有必要對貝雷梁的結構進行安全計算和荷載試驗，為鋼便橋運營使用提供技術依據(jù)[2]。本文結合多跨簡支貝雷梁搶通工程，通過橋梁專用軟件MIDAS/CIVIL建立空間有限元模型，結合《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》中錯孔撓度理論計算的方法，依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21－2011）對現(xiàn)有ZB-200型鋼便橋的承載能力進行評估和判斷，為今后橋梁搶修工程提供值得借鑒的經驗。

1 工程概況

G318線竹巴籠金沙江大橋位于川藏公路分界線上，是由川進藏的關鍵線路之一，上部結構跨徑布置為8×30 m預應力T梁+1×25 m預應力混凝土現(xiàn)澆空心板，下部結構為樁柱式橋墩、摩擦樁基礎。受堰塞湖泄洪影響，第2~8跨上部結構被洪水沖毀。為盡快恢復交通，做好搶通保通和災后重建工作，在原有橋墩和蓋梁的基礎上，中間7孔采用ZB-200型上承式三排單層加強型簡支戰(zhàn)備鋼橋，兩岸邊孔保留，并對四川岸邊T梁進行糾偏復位。橋梁橫向布置為雙側三排，兩側桁架之間設置剪力撐，I型剪刀撐適用于鋼橋奇數(shù)跨，共4跨，每跨9片；II型剪刀撐適用于鋼橋偶數(shù)跨，共3跨，每跨11片，橋面寬度：凈1.0 m（護欄）+4.2 m（行車道）+1.0 m（護欄）=6.2 m，如圖1所示。每一標準型桁架單元長度為3.048 m，一孔30 m橋垮采用10個標準型桁架單元，相鄰兩孔簡支鋼梁橋的主桁架橫向交錯布置，每跨桁架下部設置3~4道橫梁，如圖2所示。該橋設計荷載：汽-20、掛-100（只允許單車通過），該次荷載試驗為確定搶通工程實際工作狀況及受力狀態(tài)是否滿足試運營（單車50 t）階段使用要求，因而對其進行荷載試驗和承載能力評估[3]。

圖1 鋼桁架橋梁斷面圖（單位：mm）

圖2 鋼桁架橋梁立面圖（單位：cm）

2 靜載試驗內容及方法

2.1 空間有限元模型的建立

為科學進行該橋梁的荷載試驗，運用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立橋梁三維空間有限元模型，通過運營荷載組合計算，得到相應不利斷面，進而確定試驗和檢測斷面。模型中貝雷梁、橫梁采用Q345鋼，其余各構件均采用Q235鋼材模擬；橋面13.5 cm厚花紋鋼板采用板單元模擬，其余采用梁單元模擬。在兩片貝雷片連接位置釋放梁單元y-y方向旋轉自由度，橋面板與分配梁共用節(jié)點，貝雷梁與工字鋼橫梁之間的連接采用彈性連接中的一般連接[4]。試驗荷載下彎矩包絡圖如圖3所示。

圖3 試驗荷載下（中載）彎矩包絡圖

2.2 加載測點的布置

（1）撓度測點布置

該跨布置6個變形測點，位于橋面距護欄約20 cm處及道路中心線上，測點編號為D1~D6，變形測量采用高精度水準儀，布置點如圖4所示。

圖4 撓度測點布置圖（單位：cm）

（2）應變測點布置

對應急保通鋼桁架進行檢測：該跨支點鋼梁進行剪力檢測，在檢測每片桁架端立柱下部各布置一處應力監(jiān)測點，共計6個測點；跨中每片桁架梁上、下弦桿各布置一處應力監(jiān)測點，共計12個測點。墩頂測點布置圖如圖5至圖7所示。

圖5 應變測點布置圖

圖6 應變測點布置圖（支座處豎桿）（單位：mm）

圖7 應變測點布置圖（跨中弦桿）（單位：mm）

（3）橋墩偏位檢測。

在各工況試驗汽車荷載作用下，觀測墩柱是否有偏位產生；記錄發(fā)現(xiàn)偏位的工況及加載等級，偏位大小和方向。觀測過程中若發(fā)現(xiàn)數(shù)值超過荷載計算的容許值，或出現(xiàn)其他異常情況時，應立即停止加載。偏位測點布置如圖8所示。

圖8 墩柱偏位測點（單位：mm）

2.3 加載車輛及加載效率

依據(jù)設計文件橋面板軸重不大于14 t，試運營（單車50 t）階段使用要求運，通過三維模型計算確定靜載試驗需要加載車2輛35 t（50 t等效荷載進行加載）。無額定計算試驗荷載最大彎矩4 512.8 kN·m，荷載效率系數(shù)為0.969，處于規(guī)范規(guī)定的范圍0.85~1.05，表明此試驗加載有效。

2.4 加載工況

根據(jù)貝雷梁的結構特點、現(xiàn)場的實際情況，按照測試界面的控制內力及撓度布載，本橋加載過程分為四級，卸載過程分為二級。加載工況示意圖如圖9所示。

圖9 100%加載下車輛布置圖（單位：cm）

（1）預加載：零載→50%荷載值→零載

（2）正式加載：零載→工況I-1（25%）→工況I-2（50%）→工況I-3（75%）→工況I-4滿載（100%）→工況I-5（50%）→零載。

3 靜載試驗結果分析

3.1 ZB-200型鋼橋撓度計算原理

貝雷桁架間連接采用銷接，由于銷與孔間存在著設計間隙，桁架受力后兩者間的相對位移會引起結構的非彈性撓度，所以ZB-200型鋼桁架的撓度由2部分組成[5]：（1）桁架結構受力產生的彈性撓度；（2）銷釘與銷孔之間的間隙，引起的非彈性撓度即錯孔撓度。由文獻[6]可知，ZB-200型貝雷梁標準節(jié)段長3.048 m，高度2.134 m，國產貝雷梁孔與銷間的設計間隙為0.5 mm[6]。

《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》采用虛功原理，推導出單層簡支貝雷梁錯孔撓度計算公式：

式中：d為貝雷梁標準節(jié)段長度的一半；θ為銷釘與銷釘孔之間的間隙Δ所引起的轉角為貝雷梁高度；n為貝雷梁節(jié)段數(shù)。

3.2 撓度測試結果分析

貝雷梁撓度測試結果表明，墩頂位置采用水準儀進行觀測，變形較小未能發(fā)現(xiàn)撓度變化?？缰薪孛鎸崪y撓度值為34.4~35.6 mm，材料計算受力變形撓度為26.1 mm，錯空撓度值為17.8 mm，撓度校驗系數(shù)在0.78～0.80之間。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）結構校驗系數(shù)小于1.0的要求，表明結構的實際狀況要好于理論狀況，結構變形滿足彈性工作狀況要求。具體撓度對比分析情況如圖10所示。

圖10 最大正彎矩撓度理論撓度和實測撓度對比圖

3.3 應變測試結果分析

貝雷梁應變測試結果表明：各桿件實測應變介于-189~255 με之間，殘余變形應變介于-13~16 με之間，理論計算應變介于-315~302 με之間，跨中截面校驗系數(shù)在0.35～0.91之間。結構應變校驗系數(shù)滿足規(guī)范小于1.0的規(guī)定，表明貝雷梁結構強度達到設計荷載和使用的要求；相對殘余應變絕對值最大為8.13%，均小于20%的規(guī)范值，說明結構卸載后有較好的彈性恢復能力。具體應變對比分析情況如圖11至圖12所示。

圖11 最大正彎矩（上下弦桿）理論應變和實測應變對比圖

圖12 最大正彎矩墩頂豎桿理論應變和實測應變對比圖

3.4 墩柱偏位測試結果

測試跨徑兩邊墩柱位移結果最大偏位為4-1#墩2.8 mm下游方向，各工況主測截面偏位介于0.2~2.8 mm，墩柱位移相對較小，表明墩柱結構的實際狀況要好于理論狀況。

4 結 語

橋梁結構作為國省道跨越障礙物的重要組成部分，地質災害引發(fā)的橋梁破壞對災后重建和物資運輸帶給社會的影響巨大。本文通過對竹巴籠大橋搶修架設貝雷梁鋼便橋的荷載試驗，判定搶修橋梁在運營狀態(tài)下的承載能力。

（1）該次檢測各工況測試應力校驗系數(shù)、相對殘余變位絕對值滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的要求。

（2）各工況測試截面撓度校驗系數(shù)在0.78～0.80之間，通過貝雷梁實橋加載試驗結果驗證了MIDAS有限元模型和錯孔撓度理論計算確認撓度的可靠性。

（3）各工況的荷載試驗效率在0.85~1.05之間，其試驗結果表明表明貝雷梁結構剛度達到設計荷載和滿足單車50 t運營要求。