梁格法在鋼箱梁拱橋靜載試驗中應用

潘冬冬

（浙江中能工程檢測有限公司,浙江 杭州 310000 ）

0 引言

隨著城市的快速發展，橋梁的建設不僅要滿足基本的使用功能，橋梁的美學也成為人們關注的重要方面[1]。尤其在城市里面，拱橋不僅跨越障礙物能力強，拱橋還具備造型美觀的特點，備受城市建設者追崇。與傳統的混凝土橋梁相比，鋼箱梁橋具有自重輕、承載能力高、施工速度快等優點，被大量應用在公路市政橋梁中[2-4]。

目前工程上常采用單梁模型對橋梁進行受力計算分析，但單梁模型無法合理反映結構的空間效應，橋梁板殼模型建模過于復雜且建模分析過程所耗費時間過多。該文采用梁格法進行鋼箱拱橋建模，計算分析寬箱拱橋在成橋狀況下橋梁靜載試驗理論數據，通過與橋梁現場實際靜載試驗數據進行對比分析來驗證梁格法建模合理性。

1 工程概況

某景觀拱橋為下承式鋼箱拱橋，橋梁跨徑布置為（13+86+13）m，橋梁全長為116 m，橋寬為47.5 m，主橋橫斷面尺寸：0.25 m（護欄）+5.25 m（人行道）+0.50 m（防撞護欄）+2.00 m（吊桿區）+0.75 m（防撞護欄）+14.5 m（機動車道）+0.75 m（防撞護欄）+2.00 m（吊桿區）+0.50 m（防撞護欄）+5.25 m（人行道）+0.25 m（護欄）。橋面采用雙向八車道，橋梁荷載等級為城-A 級，人群荷載3.5 kN/m2。道路等級為城市次干路，橋梁無通航要求，橋梁主體結構設計年限為100 年，更換次要構件設計年限為15 年。景觀拱橋采用先梁后拱的施工方法，鋼箱主梁和鋼拱肋采用先期工廠制作完成后，再運輸到項目施工現場進行分階段吊裝焊接施工拼裝成整體。

景觀橋主梁采用單箱12 室斜腹板箱形截面（圖1），鋼箱梁梁高2.5 m，梁頂面設置雙向2%橫坡。頂板和底板采用16 mm，梁端拱梁結合段局部加厚到30 mm。邊腹板厚度為14 mm，吊桿兩側中間腹板在拱橋范圍厚度為30 mm，其余段落厚度為16 mm。橫隔板基本間距2.0 m，標準板厚12 mm，拱梁結合處板厚20 mm。拱肋采用單箱單室等截面鋼箱拱，截面寬度為2.0 m，截面高度為1.58 m。吊桿采用擠壓錨固鋼絞線索體系，吊桿型號采用GJ15—19類型。鋼主梁及拱肋均采用Q355qc鋼材。

圖1 橫斷面布置圖

橋梁橋墩采用墻式墩，墩身立面配合梁橋拱肋部分景觀，設計為弧線形狀。橋臺為一字墻橋臺，端臺采用承臺加群樁基礎，橋臺臺身、側墻采用C35 混凝土，承臺采用C30 混凝土，樁基采用C30 水下混凝土。

2 有限元模型建立

梁格法的主要思路就是將上部結構用一個等效的平面梁格來模擬，將分散在上部結構的每一區段內的彎曲剛度和抗扭剛度集中于相近的等效梁格內[5-6]。基于梁格法原理，將截面沿腹板劃分為多個工字型截面和兩個邊梁截面。剪力-柔性梁格理論中對于劃分后的截面應盡量滿足每根縱梁的中性軸與整體截面的中性軸處于同一高度[7]。依據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）對主梁縱向單元截面進行折減，從而考慮剪力滯和局部穩定影響。

計算模型材料均為Q345 鋼材，材料彈性模量和重度均按照相關規范取值，鋼箱梁采用梁單元模擬、吊桿采用桁架單元模擬。在主梁橫隔板處設置橫向梁格。橫向梁格采用工字型截面模擬，依據橫隔板實際重量并對橫向梁格截面進行剛度及重量調整。全橋模型節點共1 691個、單元共2 320 個。有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

3 靜載試驗

橋梁靜載試驗主要是通過在橋梁結構上施加等效荷載使橋梁試驗控制截面在荷載作用下內力或位移與理論計算內力或位移兩者比值滿足靜荷載試驗效率。該次項目作為驗收性荷載試驗，其值應大于或等于0.85，且不得大于1.05。

3.1 測試截面和測點布置

該次靜載試驗控制截面選擇1/4 跨徑截面（1-1 截面）和1/2 跨徑截面（2-2 截面），以拱肋內力作為控制截面靜載試驗效率等效原則，該次靜載試驗分為2個工況進行。2 個試驗工況下試驗車輛均為橫向中載布置。該次靜載試驗采用8 輛車重為40 t 四軸車輛進行加載，靜載試驗效率表如表1 所示，控制截面示意圖如圖3 所示，拱肋彎矩包絡圖如圖4 所示，加載車布置圖如圖5～6 所示，加載車參數如表2 所示。

表1 靜載試驗效率

表2 加載車參數

圖3 控制界面示意圖

圖4 拱肋彎矩包絡圖

圖5 工況1 和工況2 加載車縱向布置圖（mm）

圖6 工況1 和工況2 加載車橫向布置圖（mm）

該次靜載試驗時分別在鋼箱梁第2 至第9 箱室梁底分別布置應變計且編號為測點1 至測點8（編號Z1～Z8），在南北拱肋上側頂板側分別布置應變計（編號NG1 和BG1）。鋼箱梁撓度采用高精度帶自動旋轉馬達功能全站儀配合棱鏡進行測量，撓度測點布置在第2、4、6、8、10 箱室底，兩側靠近橋臺處分別布置支點沉降觀測點。

3.2 靜載試驗成果及分析

3.2.1 應力測試結果

工況1 和工況2 試驗荷載作用下，主要測點應變實測值、計算值如下圖7 和圖8 所示。

圖8 工況2 測點應變實測值和計算值對比

由圖7～8 可知，在各工況試驗荷載作用下，主梁及拱肋應力實測值小于計算值，各測點應力校驗系數均小于1，且應力相對殘余變形均小于20%，依據《城市橋梁檢測與評定技術規程》（CJJ/T—2015），表明主梁和拱肋強度滿足設計荷載正常使用要求。

3.2.2 撓度測試結果

工況1 和工況2 試驗荷載作用下，主要測點撓度實測值、計算值如圖9～10 所示。

圖9 工況1 測點撓度實測值和計算值對比

圖10 工況2 測點撓度實測值和計算值對比

由圖9～10 可知，在各工況試驗荷載作用下，主梁及拱肋各測點撓度校驗系數均小于1，且撓度相對殘余變形均小于20%，依據《城市橋梁檢測與評定技術規程》（CJJ/T—2015），表明主梁剛度滿足設計荷載要求。

4 結語

（1）主梁及拱肋主要測點應力校驗系數均小于1，應力相對殘余變形均小于20%，滿足《城市橋梁檢測與評定技術規程》（CJJ/T—2015）規定的要求，表明主梁和拱肋強度滿足設計荷載要求。

（2）主梁及拱肋主要撓度測點校驗系數均小于1，撓度相對殘余變形均小于20%，滿足《城市橋梁檢測與評定技術規程》（CJJ/T—2015）規定的要求，表明主梁和拱肋剛度滿足設計荷載要求，橋梁具有較好的彈性恢復能力。

（3）靜載試驗實測數據與計算數據比較接近，表明梁格模型在該項目中運用是合理的，運用梁格理論指導寬箱梁荷載試驗，能夠保證精確度。