組合鋼箱梁橋荷載試驗檢測技術(shù)研究

呂 磊 陳 劍

（浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 引言

隨著橋梁設(shè)計施工水平的發(fā)展，國內(nèi)外修建了一批組合結(jié)構(gòu)橋梁。與傳統(tǒng)單一混凝土橋梁相比，組合結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、跨度大的優(yōu)點。相比鋼結(jié)構(gòu)橋梁，組合結(jié)構(gòu)橋梁具有造價低廉，結(jié)構(gòu)整體受力性能更加合理。組合結(jié)構(gòu)橋梁充分發(fā)揮了混凝土和鋼材各自的受力特性，同時具有經(jīng)濟性優(yōu)點，日本、歐美各國均較早地開展了對于組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用研究，并制定了組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1]。相比國外而言，我國對于組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用起步較晚，工程實例較少，因此對于鋼-混組合梁橋力學(xué)性能進行研究具有重要的理論意義和工程實踐價值[2]。

本文以某快速干道組合結(jié)構(gòu)箱梁橋為工程背景，通過靜動載試驗測試結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力、靜應(yīng)變、自振頻率等參數(shù)，比較荷載試驗并結(jié)合空間有限元模型研究了該橋在正常使用荷載作用下的整體受力性能。

1 工程概況

某快速干道工程鋼-混組合箱梁橋跨徑54m，主橋采用組合梁結(jié)構(gòu)，斜交角75°，設(shè)計荷載為公路I級。橋梁寬度為44～45m，上部結(jié)構(gòu)橋面板采用C40標(biāo)號混凝土，鋼材型號為Q345qd。主橋上部組合梁結(jié)構(gòu)采用8片鋼梁和混凝土橋面板結(jié)合，梁體中心高度2.8m，鋼梁和混凝土橋面板采用剪力鍵連接。組合梁橫截面如圖1所示。

圖1 某機場快速干道組合梁橋橫斷面圖（單位：cm）

2 橋梁有限元計算模型

根據(jù)箱梁梁格理論，采用Midas/civil建立有限元模型，采用粱單元模擬單片鋼箱梁，采用板單元模擬混凝土橋面板，橋面板單元與鋼梁單元通過節(jié)點約束方程進行連接，約束條件為共同變形，即不考慮橋面板和鋼梁的相對位移效應(yīng)。

3 試驗概況

3.1 試驗設(shè)備及測點布置

試驗主要測試橋梁在車載作用下的變形、應(yīng)變和整體動力特性。應(yīng)變采用RS-QL06E橋梁及結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)和振弦式應(yīng)變傳感器進行測量，撓度采用全站儀進行測量，同時采用電子水準(zhǔn)儀進行復(fù)核。模態(tài)測試采用DH5938系列動態(tài)信號采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。荷載試驗采用三軸重車進行加載，重車前軸軸重6t，中后軸軸重14.5t，總重35t，共采用重車6輛。

圖2 組合梁橋在移動荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖

根據(jù)橋梁在設(shè)計荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖（見圖2），選取該橋跨中斷面為測試控制端面。靜載測點布置如圖3所示，動力特性測試在主跨L/4、L/2、3L/4處布設(shè)豎向（面內(nèi)）加速度拾振器各1個，測量橋梁面內(nèi)各階振動頻率和振型；在相同位置布置橫向（面外）加速度拾振器各1個，以測量大橋的面外振動頻率和振型。

圖3 跨中截面應(yīng)變傳感器布置圖

3.2 加載工況和試驗效率

3.2.1 靜載試驗工況

根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點和理論計算結(jié)果，靜載試驗共分為2個試驗工況，工況一為跨中最大正彎矩，橫向?qū)ΨQ布置；工況二為跨中最大正彎矩，橫向偏載。試驗參數(shù)及試驗效率如表1所示。

表1 靜載試驗加載工況和效率表

3.2.2 動載試驗工況

為測試橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，進行了環(huán)境激勵下的動力特性測試，同時進行不同車速下的跑車試驗、剎車試驗，具體工況如表2所示。

表2 動載試驗加載工況

3.2.3 靜荷載試驗結(jié)果分析

本文僅對工況一靜載試驗撓度部分結(jié)果、動載試驗基頻結(jié)果進行分析，其他工況類似。

撓度測試根據(jù)測點位置受加載工況的影響情況，綜合采用電子水準(zhǔn)儀和全站儀對關(guān)鍵截面撓度和橋梁撓曲線進行了測試。相應(yīng)的結(jié)果基本一致，表明本次試驗數(shù)據(jù)具有很高可靠性。

表3為I-I跨中截面梁底撓度計測試結(jié)果，校驗系數(shù)在0.8左右，相對殘余在2.63%～17.78%之間。

表3 工況一跨中（I-I）截面撓度測試結(jié)果

測點在控制荷載工況作用下的相對殘余撓度（或應(yīng)變）越小，說明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況，《公路舊橋承載能力鑒定方法》要求相對殘余不大于20%。由表3可見，本次試驗實測撓度（或應(yīng)變）相對殘余量均分布在20%范圍內(nèi)，說明測點的殘余撓度（或應(yīng)變）均滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)整體工作在彈性狀態(tài)，變形在卸載后能較好恢復(fù)。

3.2.4 動荷載試驗結(jié)果分析

橋梁的基頻是反映橋梁整體性能的重要指標(biāo)之一，當(dāng)橋梁受到損害或者剛度、強度發(fā)生變化時，橋梁的固有頻率也會發(fā)生變化。通過脈動、跳車試驗，經(jīng)分析得到橋梁的基頻，結(jié)果如表4所示。

表4 實測基頻和理論基頻對照表

由實測基頻和理論計算值對比可以看出，實測一階自振頻率（跳車測試）為2.74Hz，大于理論計算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文基于靜動載試驗技術(shù)，并結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)分析了某鋼混組合箱梁橋的力學(xué)性能，可以得到如下結(jié)論。

4.1 靜載試驗結(jié)論

實測主要測點的撓度、應(yīng)變校驗系數(shù)均小于1.0，表明橋梁剛度和強度滿足規(guī)范要求。

各加載工況下的相對殘余變形（應(yīng)變）基本滿足規(guī)范不大于20%的要求，且逐級加載時主要測點的撓度（應(yīng)變）表現(xiàn)為線性增長趨勢，表明橋梁工作在彈性狀態(tài)，卸載后撓度（應(yīng)變）基本能夠得到恢復(fù)。

箱梁整體抗扭性能良好，偏載工況下實測偏載效應(yīng)系數(shù)和理論值比較接近，撓度和應(yīng)變的橫向分布曲線也和理論曲線基本一致。

4.2 動載試驗結(jié)論

動載試驗結(jié)果表明橋梁的基頻響應(yīng)和理論值相比較大結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計要求。