雙層鋼桁架梁橋靜力模型試驗(yàn)研究

成浩嘉，陳永健

（福州大學(xué)，福建 福州 350000）

1 雙層鋼桁架橋梁發(fā)展概況

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著全球經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，橋梁越來越寬，2片主桁的橋梁結(jié)構(gòu)越來越難以滿足社會(huì)發(fā)展對橋梁功能的要求，采用3片主桁的橋梁已經(jīng)開始出現(xiàn)；橋梁的結(jié)構(gòu)形式也越來越多樣化，如連續(xù)鋼桁梁橋、連續(xù)鋼桁梁拱橋、連續(xù)鋼桁梁斜拉橋等大跨度鋼桁梁橋在我國鐵路中得到廣泛應(yīng)用。

2 雙層鋼桁架橋梁靜力模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用1∶5縮尺模型，取用某橋的一段主墩及鄰跨的節(jié)段建立模型。模型縮尺后的示意圖如圖1所示。

圖1 模型俯視圖

2.2 試驗(yàn)加載區(qū)域

此次試驗(yàn)采用力控制加載的方式對模型施加豎向荷載?？紤]到模型尺寸過大且實(shí)驗(yàn)室條件有限，對模型直接施加整體的均布荷載比較麻煩，因此采用對主桁上弦節(jié)點(diǎn)區(qū)域施加集中荷載的方式來均布荷載。由于主墩區(qū)域構(gòu)造及受力較為復(fù)雜，且主墩處腹桿為變高度區(qū)域最長腹桿，其穩(wěn)定性對整體結(jié)構(gòu)的受力至關(guān)重要。因此，選擇主墩區(qū)域?yàn)榧虞d區(qū)域，對主墩處上弦桿的4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步加載。加載示意圖如圖2所示。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2 加載示意圖

圖3 上弦測點(diǎn)荷載-位移圖

圖4 下弦測點(diǎn)荷載-位移圖

（1）位移數(shù)據(jù)處理。整個(gè)模型在節(jié)點(diǎn)及支座處共布置了20個(gè)位移測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)設(shè)置1個(gè)豎向位移計(jì)測量結(jié)構(gòu)豎向位移。由于采用對稱加載，因此只選取其中一片主桁進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)在實(shí)際數(shù)據(jù)處理時(shí)也可根據(jù)2片主桁的測試結(jié)果進(jìn)行相互修正。結(jié)構(gòu)上下弦桿各位移測點(diǎn)的荷載-位移圖如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，各位移測點(diǎn)的荷載-位移均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，圖像基本都近似于一條直線，未出現(xiàn)任何進(jìn)入塑性階段的突變。這表明在試驗(yàn)加載過程中，加載量及加載速度控制較好，且結(jié)構(gòu)一直處于彈性階段。對比各位移測點(diǎn)的荷載-位移曲線可知，結(jié)構(gòu)上弦測點(diǎn)中，測點(diǎn)2（加載點(diǎn)處）的位移隨荷載增長的幅度最大，位于加載點(diǎn)處的測點(diǎn)1由于受邊界支座的影響，其位移增長幅度小于測點(diǎn)2，其他測點(diǎn)則隨著距離加載點(diǎn)越遠(yuǎn)，其位移增長幅度也越小但相鄰測點(diǎn)間減小的幅度相差不大。說明主桁結(jié)構(gòu)在縱向上傳力比較均勻，結(jié)構(gòu)連續(xù)性較好；結(jié)構(gòu)下弦測點(diǎn)同樣表現(xiàn)為距離加載點(diǎn)越近，位移增長幅度就越大，其中測點(diǎn)13距加載點(diǎn)最近，其位移增長幅度最大。

（2）應(yīng)變數(shù)據(jù)處理。第一，上弦桿。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步分析可知，在荷載作用下，上弦桿A2A3受力較大，其他上弦桿均受力較小，且上弦桿A2A3位于主墩支座上方，受力復(fù)雜，因此對上弦桿A2A3進(jìn)行分析。荷載作用下上弦桿A2A3上下緣軸向應(yīng)變測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變圖如圖5所示。圖5中給出應(yīng)變實(shí)測值和理論值，應(yīng)變以受拉為正，受壓為負(fù)。由圖5可知，上弦桿A2A3應(yīng)變測點(diǎn)在各工況下的荷載-應(yīng)變基本呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，未出現(xiàn)任何進(jìn)入塑性階段的突變，表明在試驗(yàn)加載過程中結(jié)構(gòu)一直處于彈性階段。其中，桿件下緣應(yīng)變測點(diǎn)在500kN之后，其荷載-位移曲線開始趨向平緩，但這并不代表?xiàng)U件進(jìn)入塑性階段，結(jié)合整體數(shù)據(jù)可知，此時(shí)桿件應(yīng)該仍處于彈性階段。桿件在加載到最大加載級（600kN）時(shí)，上緣應(yīng)變實(shí)測值為-12.95με，下緣應(yīng)變實(shí)測值為75.13με。在荷載作用下，上弦桿A2A3桿中為上緣受壓、下緣受拉，上緣測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力值為2.67MPa，下緣測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力值為15.48MPa，可知下緣拉應(yīng)力要遠(yuǎn)大于上緣壓應(yīng)力，表明上弦桿除受軸向力外還受到較大的彎矩應(yīng)力的影響，但總體桿件的應(yīng)力水平偏低，小于材料的屈服強(qiáng)度345MPa。

圖5 荷載-應(yīng)變圖

第二，下弦桿。對主墩處下弦桿E1E2和E2E3應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。下弦桿E1E2和E2E3應(yīng)變測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，并沒有出現(xiàn)進(jìn)入塑性階段的突變，因此判斷結(jié)構(gòu)一直處于彈性階段。桿件均表現(xiàn)為上緣受拉，下緣受壓的受力形式，而且上下緣應(yīng)變相差很大，這是因?yàn)橄孪覘U除受軸向力外，還受到主墩負(fù)彎矩的影響。下弦桿E1E2上緣實(shí)測應(yīng)變值為59.61με，下緣實(shí)測應(yīng)變值為-54.76με；下弦桿E2E3上緣實(shí)測應(yīng)變值為37.91με，下緣實(shí)測應(yīng)變值為-55.19με。在荷載作用下，下弦桿E1E2和E2E3桿中受力形式表現(xiàn)為上緣受拉，下緣受壓且上下緣相差較大，說明受主墩處負(fù)彎矩影響較大。實(shí)測最大應(yīng)力為12.28MPa，位于下弦桿E1E2上緣測點(diǎn)處，實(shí)測最大壓應(yīng)力為-11.37MPa，位于下弦桿E2E3下緣測點(diǎn)處。可見桿件實(shí)測應(yīng)力不大，均小于材料的屈服強(qiáng)度345MPa。

第三，腹桿。在各工況作用下，腹桿A2E2和腹桿A3E2均處于受壓狀態(tài)，應(yīng)變測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變均呈現(xiàn)出非常好的線性關(guān)系，應(yīng)變隨荷載線性遞增，圖像幾乎是一條直線，未出現(xiàn)任何進(jìn)入塑性階段的突變，表明桿件一直處于彈性階段。腹桿A2E2左緣實(shí)測應(yīng)變?yōu)?272.14με，右緣實(shí)測應(yīng)變?yōu)?239.42με；腹桿A3E2左緣實(shí)測應(yīng)變?yōu)?302.83με，右緣實(shí)測應(yīng)變?yōu)?374.03με。在各工況最大加載級作用下，腹桿A2E2和腹桿A3E2以受壓為主且應(yīng)力水平較高，腹桿左右緣應(yīng)力往往不同，但相差較小，表明腹桿所受主墩負(fù)彎矩的影響比上下弦桿小。實(shí)測最大壓應(yīng)力為-77.05MPa，位于腹桿A3E2右緣處?？梢?，腹桿實(shí)測應(yīng)力仍然小于材料的屈服強(qiáng)度345MPa。由于在主墩工況作用下，主墩處腹桿應(yīng)力較大，因此對主墩處腹桿A2E2和A3E2進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，選取腹桿在荷載下最大實(shí)測應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，腹桿A2E2取左緣應(yīng)力值-56.06MPa，腹桿A3E2取右緣應(yīng)力值-77.05MPa。按軸向受壓穩(wěn)定對腹桿進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10091—2017），穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

式中：N為計(jì)算軸向力；為毛截面積（N/Am表示桿件應(yīng)力）；為中心受壓桿件的容許應(yīng)力折減系數(shù)，可根據(jù)鋼種、截面形狀及驗(yàn)算所對的軸按規(guī)范規(guī)定取值，腹桿A2E2取為0.762，腹桿A3E2取為0.757；為鋼材軸向容許應(yīng)力，對試驗(yàn)所用Q345B鋼，按規(guī)范取為200MPa。

將腹桿實(shí)測應(yīng)力代入可得：

因此，主墩處腹桿的軸向穩(wěn)定性滿足要求。

3 總結(jié)

綜上所述，在荷載作用下，結(jié)構(gòu)實(shí)測位移和應(yīng)變均與荷載保持較好的線性關(guān)系，說明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中一直處于彈性階段。結(jié)構(gòu)的豎向變形很小，最大僅為2.16mm，位于加載點(diǎn)處，說明結(jié)構(gòu)在主墩處具有較大的豎向剛度。主墩處上下弦桿應(yīng)力較小，但桿件上下緣應(yīng)力相差較大，表明主墩處上下弦桿受彎矩應(yīng)力影響較大；而主墩處腹桿應(yīng)力較大但左右緣應(yīng)力相差較小，表明腹桿受彎矩應(yīng)力影響較小。主墩處桿件最大應(yīng)力為-77.05MPa，位于腹桿A3E2右緣測點(diǎn)處，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度345MPa，表明結(jié)構(gòu)在主墩處具有較大的剛度和安全儲(chǔ)備。同時(shí)，對主墩處腹桿的穩(wěn)定性驗(yàn)算可知，主墩處腹桿滿足軸向受壓穩(wěn)定的要求。