新型鋼桁架橋復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

馬宏亮

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

新型鋼桁架橋復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

馬宏亮1，2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

天津慈海橋?yàn)殇撹旒軜蚝湍μ燧啅?fù)合結(jié)構(gòu)體系，主橋主跨為三跨(24.47+45.00+24.47)m連續(xù)鋼桁架梁，分為上下兩層。為了檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力性能，評(píng)定橋跨的承載能力，為工程驗(yàn)收提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)該橋進(jìn)行了靜動(dòng)載試驗(yàn)，并結(jié)合理論計(jì)算，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件應(yīng)力、主梁撓度和結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性等進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明橋跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，橋梁剛度和承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，橋梁主體結(jié)構(gòu)處于良好的技術(shù)狀態(tài)和使用狀態(tài)。

復(fù)合結(jié)構(gòu)體系 鋼桁架橋 靜動(dòng)載試驗(yàn) 有限元分析

天津慈海橋?yàn)殇撹旒軜蚝湍μ燧啅?fù)合結(jié)構(gòu)體系，主橋全長(zhǎng)204 m，分為上下兩層，上層為機(jī)動(dòng)車道，設(shè)計(jì)荷載為城—A級(jí)汽車荷載，雙向6車道，上、下行之間預(yù)留4.4 m間隙，供摩天輪穿過(guò)。下層為非機(jī)動(dòng)車與步行通道以及商業(yè)空間，橋面為一整體，中部是摩天輪登艙站臺(tái)區(qū)，兩側(cè)為行人和非機(jī)動(dòng)車過(guò)橋通道，人行道寬4.5 m/側(cè)，人行荷載為4.0 kN/m2［1-2］。

主橋主跨桁架梁的跨徑布置為(24.47+45.00+ 24.47)m，為三跨連續(xù)桁架，橫向共設(shè)四片主桁架，主桁之間通過(guò)上平聯(lián)、下平聯(lián)的縱橫梁連接，上層橋面總寬31 m，下層橋面總寬38 m。主桁和引橋之間為鋼混疊合梁過(guò)渡段，兩岸各設(shè)置兩孔，跨徑組合分別為:紅橋側(cè)(42.50+12.53)m、河北側(cè)(15.23+39.80)m。引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，兩岸各設(shè)置四孔，跨徑組合均為4×25 m。

主橋中央的摩天輪直經(jīng)為110 m，由兩個(gè)高62 m的人字形鋼結(jié)構(gòu)塔架支撐。摩天輪輪盤為輻射狀拉索和鋼管桁架輪箍組成的輪輻索式結(jié)構(gòu)。人字形塔架結(jié)構(gòu)由互成120°的三條直線型鋼箱體組成。主橋示意如圖1。

對(duì)該橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，目的在于通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，為工程竣工驗(yàn)收提供重要依據(jù);測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力表現(xiàn)，了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，評(píng)定其工作性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求;了解橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性以及在使用荷載階段的動(dòng)力性能，為今后安全運(yùn)營(yíng)提供必要的技術(shù)參數(shù)。

圖1 慈海橋示意

1 理論分析

慈海橋主橋的理論分析計(jì)算采用有限元方法，試驗(yàn)前利用大型有限元軟件ANSYS建立了該橋的空間有限元分析模型，對(duì)其靜動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了較全面的仿真計(jì)算［3］。

在該橋的有限元建模中，采用空間桿、板、梁及塊體單元，其中主梁鋼結(jié)構(gòu)板連接部分采用板單元，角鋼采用梁?jiǎn)卧?，上下平?lián)及主桁內(nèi)橫橋向連接采用桿單元，混凝土配重及齒坐梁與弧形梁連接部分采用塊單元。全橋共166 984個(gè)單元、127 469個(gè)節(jié)點(diǎn)。主橋計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 主橋有限元計(jì)算模型

2 靜載試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 測(cè)試內(nèi)容

靜載試驗(yàn)測(cè)試的主要內(nèi)容包括主梁結(jié)構(gòu)控制截面靜應(yīng)力測(cè)試和靜撓度測(cè)試。圖3為主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、撓度測(cè)試截面位置示意圖，其中1～3號(hào)截面為應(yīng)力測(cè)試截面，4～6號(hào)截面為撓度測(cè)試截面。截面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 應(yīng)力、撓度測(cè)試截面位置示意

圖4 1號(hào)截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)及4，6號(hào)截面撓度測(cè)點(diǎn)布置

圖5 2，3號(hào)截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)及5號(hào)截面撓度測(cè)點(diǎn)布置

2.2 試驗(yàn)荷載及加載項(xiàng)目［4］

利用試驗(yàn)荷載圖式等效的原則，通過(guò)撓度和內(nèi)力影響線加載計(jì)算，求得設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載的等代荷載，使控制截面的控制值(彎矩、撓度)與標(biāo)準(zhǔn)活載作用下的控制值之比達(dá)到試驗(yàn)荷載效率的要求(0.85≤η≤1.05)，即為本次靜力試驗(yàn)荷載。本橋靜力試驗(yàn)荷載擬采用10輛重360 kN的載重汽車進(jìn)行加載。

依據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，本次試驗(yàn)的具體加載項(xiàng)目如下所述。

1)中跨跨中最大正彎矩偏心加載

橋面加載車6輛，按3隊(duì)排列，另加底層人行道300 kN配重荷載，加載效率0.93。

加載順序:第一級(jí)人行道300 kN配重，第二級(jí)1，2號(hào)車，第三級(jí)3，4號(hào)車，第四級(jí)5，6號(hào)車(參見(jiàn)圖6)。

2)邊跨跨中最大正彎矩對(duì)稱加載

橋面加載車10輛，按6隊(duì)排列，加載效率0.93。

加載順序:第一級(jí)1，2，3號(hào)車，第二級(jí)4，5號(hào)車，第三級(jí)6，7號(hào)車，第四級(jí)8，9，10號(hào)車(參見(jiàn)圖6)。

3)中支點(diǎn)最大負(fù)彎矩偏心加載

橋面加載車9輛，按3隊(duì)排列，另加底層人行道300 kN配重荷載，加載效率0.86。

加載順序:第一級(jí)人行道300 kN配重，第二級(jí)1，2號(hào)車，第三級(jí)3，4號(hào)車，第四級(jí)5，6號(hào)車，第五級(jí)7，8，9號(hào)車(參見(jiàn)圖7)。

圖6 中跨跨中加載與邊跨跨中加載輪位示意(單位:cm)

圖7 中支點(diǎn)加載輪位示意(單位:cm)

3 動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 測(cè)試內(nèi)容

動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試的主要內(nèi)容包括全橋結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試、主梁結(jié)構(gòu)跑車動(dòng)力反應(yīng)測(cè)試和跳車動(dòng)力反應(yīng)測(cè)試。于中跨跨中、中跨L/4的橋面上布置傳感器進(jìn)行測(cè)試。

3.2 試驗(yàn)荷載

動(dòng)載試驗(yàn)荷載擬采用1～2輛重約360 kN的載重汽車。

1)跑車試驗(yàn)。在橋面無(wú)任何障礙的情況下，采用2輛重360 kN的試驗(yàn)加載車以10，20，30，40 km/h的速度在上游行車道駛過(guò)各測(cè)試截面位置，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。

2)跳車試驗(yàn)。采用1輛重360 kN的試驗(yàn)加載車以5 km/h的速度跨越設(shè)置在中跨跨中截面處的障礙物(障礙物為矢高7 cm的弓形木板)，模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》［5］規(guī)定，實(shí)測(cè)彈性變形或力值Se與試驗(yàn)荷載作用下理論計(jì)算值Sstat的比值即結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)ξ應(yīng)滿足

應(yīng)變(或應(yīng)力)0.50≤ξ=Se/Sstat≤1.00

撓度0.60≤ξ=Se/Sstat≤1.00

4.1 靜位移測(cè)試結(jié)果

中跨跨中正彎矩偏心加載工況下中跨跨中主梁撓度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，邊跨跨中正彎矩對(duì)稱加載工況下邊跨跨中主梁撓度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。表中－表示下?lián)稀?/p>

表1 中跨跨中正彎矩加載時(shí)上游行車道中跨跨中主梁撓度

表2 邊跨跨中正彎矩加載時(shí)邊跨跨中主梁撓度

從表1可得，中跨跨中正彎矩加載時(shí)撓度實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，中跨跨中主梁撓度的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.79～0.90之間;從表2可得，邊跨跨中最大正彎矩滿載加載時(shí)撓度實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，邊跨跨中主梁撓度的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.65～0.94之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中的有關(guān)參考限值規(guī)定，說(shuō)明主梁的整體剛度符合設(shè)計(jì)要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備。

中跨跨中實(shí)測(cè)最大撓度為3.6 mm，撓跨比為1/11 623，滿足規(guī)范規(guī)定的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)≤L/800的參考限值要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的靜力剛度較大，整體工作狀態(tài)良好。

由中跨跨中主梁(上游)撓度與荷載加載效率的關(guān)系曲線(圖8)可以看出，中跨跨中上游行車道上、下游側(cè)的主梁撓度與荷載加載效率均呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性變化，說(shuō)明梁體處于彈性工作階段。

中跨跨中實(shí)測(cè)撓度殘余變形(Sp)與總變形(Stot)之比為0.4/3.98=0.101，＜0.20的參考限值要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下具有良好的彈性恢復(fù)能力。

4.2 靜應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表3、表4、表5分別為中跨跨中、邊跨跨中、中支點(diǎn)各級(jí)荷載加載工況下主梁相應(yīng)控制截面主要測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力結(jié)果。表中－表示壓應(yīng)力。部分測(cè)試截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力由于絕對(duì)值較小，校驗(yàn)系數(shù)受測(cè)試誤差影響較大，在此省略。

從表3中可以看出，中跨跨中正彎矩加載時(shí)中跨跨中各測(cè)試截面的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均低于其計(jì)算值，在分級(jí)加載下，上縱梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.97之間;下縱梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.77～1.00之間;縱向斜撐的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.91之間;橫梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.63～0.98之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中的有關(guān)參考限值規(guī)定。

表3 中跨跨中正彎矩加載時(shí)中跨跨中截面主桁應(yīng)力MPa

表4 邊跨跨中正彎矩加載時(shí)邊跨跨中截面主桁應(yīng)力MPa

表5 中支點(diǎn)負(fù)彎矩加載時(shí)中支點(diǎn)截面主桁應(yīng)力MPa

從表4中可以看出，邊跨跨中正彎矩加載時(shí)邊跨跨中各測(cè)試截面的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均低于其計(jì)算值，在分級(jí)加載下，下縱梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.81～0.97之間;縱向斜撐的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.86～0.89之間;橫梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.70～1.00之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中的有關(guān)參考限值規(guī)定。

從表5中可以看出，中支點(diǎn)負(fù)彎矩加載時(shí)中支點(diǎn)各測(cè)試截面的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均低于其計(jì)算值，在分級(jí)加載下，上縱梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.64～0.85之間;下縱梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.65～0.98之間;縱向斜撐的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.75～0.92之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中的有關(guān)參考限值規(guī)定。

中跨跨中、邊跨跨中、中支點(diǎn)主梁應(yīng)力與荷載加載效率呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性變化，說(shuō)明中跨跨中、邊跨跨中、中支點(diǎn)處梁體整體工作性能良好，具有足夠的安全儲(chǔ)備，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

5.1 自振特性

表6為橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較結(jié)果。從表中可以看出，橋跨結(jié)構(gòu)同階振型振動(dòng)頻率的實(shí)測(cè)值均較理論計(jì)算值偏大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)剛度不小于理論期望值。圖9為慈海橋結(jié)構(gòu)振型圖。

5.2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)際測(cè)試了中跨跨中截面的豎向位移、豎向加速度、橫向位移、橫向加速度，以及中跨L/4截面的橫向位移等。

測(cè)試結(jié)果表明橋跨結(jié)構(gòu)振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主，隨著車速的提高，豎向振幅和加速度均在增大。實(shí)測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)在跑車試驗(yàn)時(shí)的豎向最大振幅為0.141 mm，＜3.0 mm的參考限值;在跳車試驗(yàn)時(shí)的豎向最大振幅為0.403 mm，同樣＜3.0 mm的參考限值。實(shí)測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)在跑車試驗(yàn)時(shí)的橫向最大振幅為0.094 mm，在跳車試驗(yàn)時(shí)的橫向最大振幅為0.026 mm。

表6 實(shí)測(cè)自振頻率與計(jì)算自振頻率Hz

圖9 慈海橋結(jié)構(gòu)振型

6 結(jié)論

1)靜載試驗(yàn)撓度實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，殘余變形小于參考限值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)始終處于彈性工作階段，梁體的實(shí)際剛度大于理論計(jì)算剛度。靜載試驗(yàn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的整體工作性能良好，實(shí)際強(qiáng)度較高，在最不利荷載作用下結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

2)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)自振特性與理論分析結(jié)果吻合良好，實(shí)測(cè)自振頻率較計(jì)算自振頻率偏高，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)剛度不小于理論期望值。在各類動(dòng)荷載作用下，橋面振動(dòng)位移與加速度均很小，反映出橋跨結(jié)構(gòu)具有較好的整體性和動(dòng)力性能。

綜上所述，本次試驗(yàn)所測(cè)試的天津慈海橋在剛度、強(qiáng)度方面符合設(shè)計(jì)要求，橋梁性能良好，滿足城—A級(jí)荷載運(yùn)營(yíng)要求。

［1］中華人民共和國(guó)交通部.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJJ 77—98城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［3］尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

［4］宋一凡.公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評(píng)定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［5］中華人民共和國(guó)運(yùn)輸部.JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

Study on new steel trussed arch bridge com posite structural system by static and dynam ic loading tests

MA Hongliang1，2
(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T ian jin C ihai Bridge is a com posite structure，com posed of a steel trussed arch bridge and a giant wheel.T he main bridge is a three-span(24.47+45.00+24.47)m continuous steel truss girder w ith double-deck structure.Static and dynam ic load ing test were carried ou t to analyze the static and dynam ic perform ance，evaluate the bearing capacity of the bridge，and provide scientific basis for the project acceptance.W ith the theoretic calcu lation，the stress of m ain elements，the deflection of m ain girder and the vibration of the bridge structure were compared and analyzed.T he test results ind icate that the design of the structure is rational，the structu ral rigid ity and the bearing capacity satisfy the design requirem en ts，and the m ain structu re of the bridge is in good condition.

Composite structure system;Steel trussed arch bridge;Static and dynam ic loading test;Finite elem ent analysis

U446.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.01

1003-1995(2015)06-0001-05

(責(zé)任審編孟慶伶)

2015-02-27;

2015-03-20

馬宏亮(1980—)，男，湖南永順人，助理研究員。