現(xiàn)代膠合木拱橋結(jié)構(gòu)性能評價

王智豐，尹 犟，曹 磊，張大海

（1.中南林業(yè)科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410004；2.湖南省建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，湖南 長沙 410015）

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在融入現(xiàn)代高新加工處理技術(shù)后，克服了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的自身缺陷，將設(shè)計與建造的融美感、功能性與高性價比集于一體，具有資源再生、綠色環(huán)保、保溫隔熱、強重比高、美觀、施工便捷等優(yōu)點，以及防震抗風、防潮防腐、防火防蟻、穩(wěn)定性高、耐久性好等特點，且正向高負載、大跨度的方向進軍，堪與現(xiàn)代混凝土、鋼結(jié)構(gòu)相媲美。

發(fā)達國家在工程建設(shè)中十分重視工程木結(jié)構(gòu)材料的應用。20世紀50年代初，美國開始研究橋梁用大跨重型工程木結(jié)構(gòu)材料制造技術(shù)。隨后加拿大、英國、日本、挪威、澳大利亞等國家也紛紛對其開展了大量研究，形成了較成熟的技術(shù)體系，并將其廣泛應用于大型商業(yè)和工業(yè)建筑以及學校、體育場館、別墅、會所和橋梁等領(lǐng)域[1]。挪威于2003年建成世界上設(shè)計車輛荷載滿載運行、跨度最長的Flisa橋(主跨70.34 m)[2]，并著手開展對木結(jié)構(gòu)橋梁運營階段長期健康監(jiān)測技術(shù)的研究。目前，國外已經(jīng)形成一套完整技術(shù)規(guī)范和標準，包括膠合木制造、改性處理，構(gòu)件設(shè)計、檢測，結(jié)構(gòu)施工、驗收和養(yǎng)護等。

我國對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，20世紀80年代末，開始引進西方現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑，目前已取得不少研究成果[3-8]。劉偉慶等[3]主要研究了速生材楊木、意楊等工程復合木構(gòu)件的抗彎性能及FRP增加膠合木梁性能等。祝恩淳等[4]對輕型木結(jié)構(gòu)的釘連接以及剪力墻抗側(cè)力性能開展了較多研究。程羽[5]研究了楊木和樺木兩種不同結(jié)構(gòu)的木材與木塑復合材料(WPC)的疲勞性能和疲勞裂紋擴展機理。李玲等[6]研究了在疲勞/蠕變交互作用下竹木復合層合板的斷裂損傷行為。然而這些研究的對象主要是輕型木結(jié)構(gòu)的小尺寸構(gòu)件，對大跨重型木結(jié)構(gòu)整體受力性能的研究相對缺乏，導致對木結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)安全性存在較大質(zhì)疑，嚴重制約了其在橋梁工程等大跨工程領(lǐng)域的應用。

課題組通過與美國西部木結(jié)構(gòu)公司(WWS)合作，建造了一座膠合木結(jié)構(gòu)示范人行橋。該橋根據(jù)中國規(guī)范CJJ69—95[9]和GB50005—2003[10]設(shè)計，并按美國標準NDS2005[11]和AITC 117—2004[12]制造。為了檢驗該橋的承載能力是否滿足要求，作者現(xiàn)場對其進行了靜載試驗。綜合橋梁靜載試驗效應與校驗系數(shù)的分析結(jié)果，進而對橋梁的結(jié)構(gòu)性能做出評價，為橋梁運營期間的安全性提供科學的數(shù)據(jù)資料，并為國內(nèi)相關(guān)技術(shù)標準的擬訂提供理論和試驗依據(jù)。

1 工程概況

該人行橋的結(jié)構(gòu)形式為上承式三鉸拱橋，主要由拱肋、拱上建筑物、橋面系等部分組成，主材采用美國花旗松，輔材為國內(nèi)速生樹種。橋面凈寬3.0 m、總長39.5 m，計算跨徑38.07 m、計算矢高9.0 m、矢跨比f /l=1∶4.2，設(shè)計人群荷載5.0 kN/m2。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用圓弧拱（R=26.1 m），橫向設(shè)置2根主拱肋，拱肋軸間距2.92 m，主拱截面為222 mm×686 mm，兩根拱肋之間通過8道K字撐連接，橫撐、斜撐截面尺寸分別為130 mm×305 mm、171 mm×190 mm，拱上立柱共有20個，截面尺寸采用171 mm×229 mm 和171 mm×190 mm兩種形式，立柱橫撐、斜撐截面均為130 mm×152 mm，立柱蓋梁截面尺寸為130 mm× 419 mm，橋面縱梁截面尺寸采用79 mm× 305 mm和130mm×305mm兩種形式，所有構(gòu)件均通過鋼連接板、螺栓和圓鋼銷等進行連接。橋梁整體結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面Fig.1 Elevation view at arch level of bridge structure (mm)

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)平面Fig.2 Plan view at arch level of bridge structure (mm)

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

采用通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件Midas Civil 2010對該橋進行有限元建模。由于橋梁的拱座為鋼筋混凝土重力式墩臺，剛度非常大，故只建立上部主體結(jié)構(gòu)有限元模型，關(guān)鍵步驟如下：

1）采用空間梁單元模擬主拱肋、拱上立柱以及拱間橫撐、斜撐等構(gòu)件，對于木構(gòu)件的材料屬性，其值由兩組膠合木柱（A-137 mm×137 mm×500 mm，B-105 mm×105 mm× 500 mm）順紋軸心受壓試驗確定。拱肋順紋彈性模量E1取1.05×104Mpa、其他主要木材彈性模量E2取0.93×104Mpa，泊松比μ=0.2，容重γ=8.0 kN/m3。

2）拱肋實際上是由2段拼接而成，對接節(jié)點如圖3所示。由對接拱肋的靜力試驗結(jié)果可知，對接而成的拱肋與直接成型的拱肋相比，其力學性能基本一致，可將對接節(jié)點看作剛接。對于鋼夾板螺栓連接節(jié)點，若考慮為半剛性連接，則所得振型及頻率與實測結(jié)果相差較多，故將這些節(jié)點模擬為剛接較為合適[13]。

圖3 拱肋對接節(jié)點Fig.3 Moment splice connection

3）拱肋拱腳支撐處模擬為鉸接，拱頂處也模擬為鉸接，這與實橋邊界條件相符。由于各構(gòu)件之間均采用剛度較大的鋼夾板螺栓連接，故有限元模型中除了橋面縱梁確為鉸接的節(jié)點，其他節(jié)點處均模擬為剛接。通過實際的建模對比試算發(fā)現(xiàn)，若將各連接節(jié)點模擬為鉸接或半剛性連接，則所得的結(jié)構(gòu)各階頻率及振型與實測結(jié)果吻合度較低。

4）樓梯、橋面板及護欄等附屬構(gòu)件均模擬為恒荷載施加于主體結(jié)構(gòu)上，設(shè)計過程中也采用了這種模擬方式，模擬結(jié)果較為準確。對于各連接節(jié)點處的鋼連接件，由于其自重比大，較之輕便的裝配式木橋亦不可忽略，故將鋼連接件均模擬為恒荷載施加于各連接節(jié)點處。

主體結(jié)構(gòu)共離散為122個節(jié)點以及219個梁單元。全橋有限元模型如圖4所示。

圖4 木橋有限元模型Fig.4 Finite element model of timber bridge

2.2 穩(wěn)定性分析結(jié)果

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)拱橋由于采用輕質(zhì)高強材料，且跨徑較大、寬跨比較小，其失穩(wěn)形態(tài)一般是面外半波失穩(wěn)，但是由于拱發(fā)生面外失穩(wěn)時一類失穩(wěn)的特征已較為明顯，而且一類穩(wěn)定問題力學情況簡明，能夠求出拱的失穩(wěn)形態(tài)，所以一類穩(wěn)定問題無論在理論分析中還是在工程應用上都占有重要地位。采用有限元程序求出特征值的方法進行面外一類彈性穩(wěn)定系數(shù)的計算，結(jié)果如表1所示。

表1 各工況下橋梁結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定性?Table1 Stability of the bridge under different testing conditions

風荷載標準值按《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01)4.3中規(guī)定，計算取值0.35 kN/m2。

3種荷載工況下結(jié)構(gòu)的彈性失穩(wěn)系數(shù)最小為7.23，大于4～5，因此該橋穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。對比工況2和工況1可以發(fā)現(xiàn)，活載作用下橋梁彈性穩(wěn)定系數(shù)降低逾30%，可見活載對結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定性影響較大，這主要是由于結(jié)構(gòu)自重小，活載比值較大引起的。

3 靜載試驗

3.1 測試工況

根據(jù)橋梁實際特點，共分兩種測試工況進行加載試驗，各測試截面相應的測試項目匯總于表2中。測點布置，如圖5所示。

表2 測試工況及項目Table2 Testing conditions and items

圖5 測點布置Fig.5 Arrangement of testing points

3.2 加載方案

人行橋荷載試驗目前尚缺少相關(guān)技術(shù)規(guī)程，參考橋規(guī)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）8.1.2中規(guī)定[14]，靜載試驗荷載可按控制內(nèi)力、應力或變位等效原則確定。靜載試驗效率可按下式計算，宜介于0.95～1.05之間。

式中：ηr—靜載試驗荷載效率；Ss—靜載試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內(nèi)力、應力或變位的最大計算效應值；S′—檢算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應力或變位的最不利效應計算值；μ—沖擊系數(shù)，μ=0。

結(jié)合現(xiàn)場實際條件，采用水袋注水(45 t)的方式進行橋面均布加載，可以使拱肋各截面撓度達到規(guī)定的荷載效率系數(shù)要求，具體測試工況及各加載工況水箱加載布置，如圖6所示。

圖6 加載布置簡圖Fig.6 Simplified diagram of loading

所有加載工況均采用分級加載，每一工況分三級加載，三級卸載。每級加載持荷時間大約為60 min，儀器讀數(shù)趨于穩(wěn)定后開始讀數(shù)。同時，加載過程中密切注意結(jié)構(gòu)各控制點的應變和位移，如遇異常情況立即終止加載。

根據(jù)測試工況計算出各主要控制截面撓度值及對應的靜載試驗效率系數(shù)ηr（表3）。

表3 控制截面靜載試驗效率Table3 Response ratio of test load to design load for key cross-sections

該橋各加載工況下的靜載試驗荷載效率介于1.01～1.02之間，滿足JTG/T J21-2011的相關(guān)要求，同時表明試驗荷載所產(chǎn)生的最不利效應可反映設(shè)計規(guī)范基本可變荷載效應的特征，且不至于對橋梁結(jié)構(gòu)造成損傷。

3.3 試驗結(jié)果及分析

（1）撓度測試結(jié)果

各加載工況下相應的撓度測試結(jié)果匯總于表4中。

表4 撓度變形測試與計算值比較?Table4 Comparing the tested deflection with calculated values(mm)

（2）應力測試結(jié)果

各加載工況下相應的應力測試結(jié)果匯總于表5中。

（3）結(jié)果分析

實測的拱肋控制截面撓度校驗系數(shù)在0.778～0.881之間，實測值均小于計算值，表明結(jié)構(gòu)豎向剛度能夠滿足設(shè)計要求；實測的最大相對殘余變形小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)；L/2截面最不利活載工況的全橋撓曲線平順，撓度變化規(guī)律符合結(jié)構(gòu)受力特點，并且對稱兩條測線撓度變化值基本一致。

表5 應力測試與計算值比較?Table5 Comparing the tested stress with calculated values (Mpa)

實測的拱肋控制截面應力校驗系數(shù)在0.714～0.913之間，實測值均小于計算值，表明結(jié)構(gòu)強度能夠滿足設(shè)計要求；實測的最大相對殘余應力小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。

4 結(jié)論與討論

1）木結(jié)構(gòu)人行橋自重小，附屬構(gòu)件及金屬連接件的自重對其受力影響較大，在對其進行有限元建模分析時，應將橋面板、護欄及各連接節(jié)點處的鋼連接件等構(gòu)件的自重準確模擬為恒荷載施加于結(jié)構(gòu)各相應部位。對于木構(gòu)件間常用的鋼夾板螺栓連接等節(jié)點連接形式，因連接剛度非常大，可將其模擬為剛接。

2）木結(jié)構(gòu)示范人行橋主要測點的靜力荷載試驗結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)小于理論計算值，且相對殘余變位和殘余應力均小于20%（皆滿足國內(nèi)相關(guān)規(guī)范要求），表明其承載能力滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。

本研究主要對木結(jié)構(gòu)人行橋的承載能力和第一類穩(wěn)定問題進行了相關(guān)研究，尚未開展動力性能方面的試驗，因此無法對結(jié)構(gòu)性能做出全面評價。為推廣其在工程領(lǐng)域的應用，還需對木結(jié)構(gòu)人行橋的人致振動分析、舒適度評價和減振優(yōu)化控制等開展深入研究。