濟(jì)南長清黃河公路大橋主橋荷載試驗(yàn)研究

韓文放

（山東金朝工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

鋼桁梁橋桿件多為薄壁桿件，其斷面的最大高度或?qū)挾扰c壁厚之比一般不小于10，荷載作用下各桿件呈復(fù)雜的空間受力狀態(tài)。理論分析時(shí)一般按桿單元或梁單元模擬橋梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到的是各項(xiàng)內(nèi)力單獨(dú)作用下桿件所受的應(yīng)力。而現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)變計(jì)一般沿桿件的軸向布置，實(shí)測值是荷載作用下桿件所受縱向正應(yīng)力之和。這是鋼桁梁橋試驗(yàn)中必須面對(duì)的問題，也是評(píng)價(jià)薄壁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)時(shí)必須解決的問題。

1 工程概況

濟(jì)南長清黃河公路大橋主橋采用102+4×168+102=876 米變高連續(xù)鋼桁架，整幅布置，橫橋向布置兩片主桁，主桁采用不帶豎桿的華倫式桁架布置，主桁中心距為27m，主墩處桁高23m，共用墩及跨中桁高10m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長度為14m，縱向共58 個(gè)節(jié)段。

橋梁靜載試驗(yàn)主要是通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力車輛荷載作用下的變形和內(nèi)力，確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況與設(shè)計(jì)期望值是否相符。動(dòng)載試驗(yàn)包括自振特性試驗(yàn)和動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)[1]。自振特性試驗(yàn)主要測試橋梁結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境激振條件下的自有振動(dòng)特性，即自振頻率、阻尼、振型等。動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)主要測試橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，即動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)變、振動(dòng)加速度、速度及沖擊系數(shù)等，評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和動(dòng)力性能是否滿足規(guī)范要求。

2 靜、動(dòng)力分析

采用橋梁工程軟件Midas Civil 2015 進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)的建模與分析，模型中所有桿件均采用梁單元，整體結(jié)構(gòu)簡化為空間梁格體系。

3 荷載試驗(yàn)

選用裝載汽車作為加載設(shè)備進(jìn)行靜、動(dòng)載試驗(yàn)，荷載效率滿足介于0.85～1.05 之間的要求。荷載試驗(yàn)前，對(duì)加載車輛的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了精確測量。

3.1 靜載試驗(yàn)

根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選擇長清區(qū)側(cè)邊跨、次邊跨、中跨共3 跨作為荷載試驗(yàn)橋跨，選取試驗(yàn)橋跨中受力最不利主桁弦桿所在的位置作為控制截面，進(jìn)行控制截面的撓度和應(yīng)力測試?？刂平孛婀? 個(gè)。

1） 撓度測點(diǎn)布置，每跨將加載截面兩邊橋面部分進(jìn)行二等分，在墩頂、加載截面及各等分點(diǎn)處布置撓度測試截面，主橋共13 個(gè)撓度測試斷面。

2） 應(yīng)變測點(diǎn)布置

①理論分析

對(duì)于長度遠(yuǎn)大于橫截面尺寸的構(gòu)件，其基本變形分為4類[2-4]：拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲。桿件截面上的應(yīng)力有2類：垂直于橫截面的正應(yīng)力、平行于橫截面的剪應(yīng)力。拉壓變形、彎曲變形引起正應(yīng)力，剪切和扭轉(zhuǎn)變形引起剪應(yīng)力，約束扭轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)畸變變形也會(huì)引起正應(yīng)力。

對(duì)于雙軸對(duì)稱H 型、箱型薄壁桿件（圖2），當(dāng)正應(yīng)力沿截面高度和寬度方向均為線性分布，并忽略畸變正應(yīng)力影響時(shí)，可用四點(diǎn)法實(shí)測得到4 個(gè)測點(diǎn)的縱向復(fù)合正應(yīng)力，然后采用分解法求得軸向、面內(nèi)及面外彎曲和約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力[2]。

橋梁設(shè)計(jì)時(shí)往往采用構(gòu)造措施限制構(gòu)件的畸變變形[5]，因此桿件的軸向、面內(nèi)及面外彎曲和約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力可采用四點(diǎn)法得到。該橋空間梁單元模型的有限元分析結(jié)果表明：試驗(yàn)荷載作用下，主桁桿件主要承受軸力作用，因此測試桿件的軸向應(yīng)力滿足試驗(yàn)精度要求。

②應(yīng)變測點(diǎn)布置

根據(jù)選定的測試斷面，在橋梁弦桿上布置應(yīng)變測點(diǎn)；有限元力學(xué)分析結(jié)果表明：受力最不利主桁弦桿荷載效率滿足試驗(yàn)要求時(shí)，其周圍部分腹桿的荷載效率也達(dá)到試驗(yàn)要求，因此同樣在這些腹桿上布置應(yīng)變測點(diǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)過程中的應(yīng)力測試。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

自振特性試驗(yàn)以聯(lián)為單位，全橋各跨均4 等分共計(jì)25個(gè)測試斷面，分上下游兩條測線布置測點(diǎn)。

動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)選取第三跨受力最不利主桁上弦桿（A27’-A28’） 所在的位置作為測試截面，在該上弦桿上布置動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)，上、下游側(cè)各布置1 個(gè)測點(diǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論

4.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

限于篇幅，這里僅給出部分試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果。由表1 可知，鋼桁梁桿件軸向應(yīng)力實(shí)測值均小于計(jì)算值，可見橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[1]。由表2 可知，主梁撓度實(shí)測值均小于計(jì)算值，可見橋梁結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 桿件應(yīng)力測試結(jié)果

表2 主梁撓度測試結(jié)果

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

1） 自振特性試驗(yàn)，采用環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)法進(jìn)行測試，橋梁自振特性參數(shù)測試結(jié)果見表3。

由檢測結(jié)果得出實(shí)測前四階振型與理論振型相符。由表3 看出橋梁實(shí)測前四階振動(dòng)頻率均大于計(jì)算頻率，且均為小阻尼振動(dòng)，表明橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)際整體剛度大于理論剛度，滿足設(shè)計(jì)要求。

2） 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)，這里共進(jìn)行無障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)三項(xiàng)測試。實(shí)測無障礙行車試驗(yàn)與制動(dòng)試驗(yàn)沖擊系數(shù)介于1.01～1.04 之間，測點(diǎn)沖擊系數(shù)小于規(guī)范限值[6]1.05，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)測有障礙行車沖擊系數(shù)介于1.36～1.49 之間，表明有障礙行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)較大。為了保證結(jié)構(gòu)安全，橋面盡量不要出現(xiàn)較大的坑槽，保證橋面的平整度。限于篇幅，這里僅給出部分試驗(yàn)結(jié)果。

表3 橋梁自振特性參數(shù)測試結(jié)果