超凈高鋼桁架棧橋原位靜載試驗(yàn)

江 強(qiáng)，凌 影，劉有軍，邱 斌，張海軍

（1.云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223；2.保山市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，云南 保山 678000）

0 引言

作為大型水電工程施工環(huán)節(jié)中的重要附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施，鋼結(jié)構(gòu)棧橋承擔(dān)著保證水庫(kù)大壩能夠順利澆筑的重任。水庫(kù)大壩的施工高峰期，鋼結(jié)構(gòu)棧橋的橋面將通行大量的重型混凝土罐車，因此，鋼結(jié)構(gòu)棧橋雖然是附屬設(shè)施，但卻是整個(gè)水電站較長(zhǎng)建設(shè)周期內(nèi)的關(guān)鍵附屬設(shè)施。本工程實(shí)例經(jīng)工程 5 方責(zé)任主體達(dá)成共識(shí)，決定對(duì)建成后的鋼結(jié)構(gòu)棧橋進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下的承載力原位試驗(yàn)，從而明確鋼棧橋的承載能力［1-2］。

該鋼棧橋位于云南某在建的大型水電站，布置在泄洪洞進(jìn)水口和左岸壩肩槽之間，主要由混凝土基礎(chǔ)、混凝土立柱、混凝土承臺(tái)、鋼立柱，鋼箱梁，鋼桁架等組成，功能為水庫(kù)大壩澆筑時(shí)的供料平臺(tái)，澆筑水庫(kù)大壩時(shí)將會(huì)有重型混凝土罐車在該平臺(tái)上通行并卸料。鋼棧橋的全景如圖 1 所示。

圖1 鋼棧橋全景

1 加載方案

經(jīng)過(guò)與鋼棧橋設(shè)計(jì)方的共同討論及研究，在鋼棧橋的橋面滿布設(shè)計(jì)載荷的試驗(yàn)方式工作量巨大，且在現(xiàn)場(chǎng)不具操作性。因此，為了能以最少的試驗(yàn)量反映鋼棧橋的承載能力，決定在鋼棧橋跨度最大且凈高最高的位置，對(duì)其中一榀鋼桁架進(jìn)行靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)鋼桁架的總加載量按設(shè)計(jì)荷載的 1.5 倍考慮，加載總量為 317.5 t。

加載試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行，加載時(shí)為 6 級(jí)加載，卸載時(shí)為 3 級(jí)卸載，每級(jí)加卸載達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)恒載至少 5 min，待變形穩(wěn)定后再進(jìn)行下級(jí)加載和卸載。加至總荷載大小為 317.5 t 時(shí)，至少保持荷載恒定 2 h，待變形穩(wěn)定后開(kāi)始卸載。試驗(yàn)加、卸載等級(jí)如表 1 及表 2 所示。

表1 加載等級(jí)

表2 卸載等級(jí)

2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)試桁架跨中撓度及關(guān)鍵桁架桿件的應(yīng)變值，明確鋼棧橋桁架加、卸載過(guò)程的變形情況，從而能夠掌握鋼桁架的承載能力。

由于鋼桁架跨中距離地面凈高接近 90 m，且距離桁架支座的距離較遠(yuǎn)。因此，無(wú)法采用位移計(jì)或百分表等設(shè)備測(cè)量桁架的跨中撓度。進(jìn)而，該試驗(yàn)采用無(wú)需基座架的非接觸式視頻測(cè)量設(shè)備，用于實(shí)時(shí)測(cè)量桁架的跨中撓度。僅需在鋼桁架跨中粘貼靶標(biāo)后，將非接觸式測(cè)量設(shè)備放置于桁架支座位置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)桁架跨中撓度的實(shí)時(shí)測(cè)量［3-5］。跨中撓度測(cè)點(diǎn)布置及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量如圖 2 、圖 3 所示。

圖2 跨中撓度測(cè)點(diǎn)

圖3 跨中撓度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖 2 所示的鋼桁架結(jié)構(gòu)中，端腹桿、端斜桿及跨中的上、下弦桿均為加載過(guò)程中受力較大的桿件。因此在圖 4 所示的位置沿桁架桿件的縱向及橫向粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片的現(xiàn)場(chǎng)粘貼如圖 5 所示。桁架桿件應(yīng)變片粘貼完成后，在不受加載影響的另一個(gè)桁架位置處粘貼溫度補(bǔ)償片。

圖4 應(yīng)變片布置

圖5 應(yīng)變片現(xiàn)場(chǎng)布置

試驗(yàn)設(shè)備及裝置均布置完成后，首先進(jìn)行一定的預(yù)加載用于檢驗(yàn)儀器設(shè)備是否正常工作。確認(rèn)儀器設(shè)備正常工作后，開(kāi)始正式加載。加載重物采用螺紋鋼，在桁架正上方按照預(yù)定加載方案推載?，F(xiàn)場(chǎng)加載如圖 6 所示。

圖6 加載現(xiàn)場(chǎng)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 跨中撓度結(jié)果

根據(jù)實(shí)時(shí)加載、卸載工況的測(cè)試，桁架跨中撓度時(shí)程曲線如圖 7 所示。

圖7 跨中撓度時(shí)程曲線

得出每一級(jí)加載及卸載對(duì)應(yīng)的撓度峰值如表 3 及表 4 所示，其中正值代表重力方向，負(fù)值代表與重力相反的方向。

表3 加載跨中撓度極值

表4 卸載跨中撓度極值

由圖 7 可見(jiàn)，加、卸載時(shí)程曲線總體上呈倒 V 形，表明卸載后桁架的變形基本恢復(fù)，桁架在既定加、卸載過(guò)程中基本保持彈性狀態(tài)。此外，加、卸載時(shí)程曲線并非一條光滑的時(shí)程曲線，而是在過(guò)程中存在波動(dòng)，其主要原因在于加、卸載時(shí)程曲線受加載及卸載時(shí)的實(shí)際操作影響所致。同時(shí)也表明非接觸式變形測(cè)試設(shè)備具有較高的靈敏度，能夠測(cè)量結(jié)構(gòu)較為微小的變形。

3.2 應(yīng)變結(jié)果

由跨中撓度試驗(yàn)結(jié)果基本能夠判定鋼棧橋桁架在既定荷載下基本處于彈性工作狀態(tài)。然而，缺乏判斷桁架處于彈性階段的定量數(shù)據(jù)。圖 8 依次列出了各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在加、卸載過(guò)程中的應(yīng)變時(shí)程。

為了更為直觀地看出 8 個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變極值分布情況，將8 個(gè)點(diǎn)每級(jí)荷載下的應(yīng)變極值繪制成曲線，如圖 9 所示。

由圖 9 可見(jiàn)，在同一荷載等級(jí)下應(yīng)變值分布最大處在 3 和 6，其次是 1、2、7、8，最小處在 5 和 4，其中上懸桿值最小。并且根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，應(yīng)變最大值為 163.8 με，彈性模量按照 E=2.0×105MPa，應(yīng)力值為：32.76 MPa。因此加載過(guò)程中，鋼構(gòu)橋桁架處于彈性工作狀態(tài)。

4 有限元分析

為了更進(jìn)一步地驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，采用 Mid ascivil 建立鋼結(jié)構(gòu)棧橋的有限元模型，其整體有限元模型如圖 10 所示。由于桁架橋各桿件均采用對(duì)接焊縫連接，因此，有限元建模時(shí)，桁架的各桿件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，各節(jié)點(diǎn)連接處均假設(shè)為固結(jié)。另外，桁架下部的高支墩主要承受軸向力及由上部荷載不均勻時(shí)導(dǎo)致的軸力偏心彎矩。因此，下部的高支墩部分在有限元建模時(shí)仍采用梁?jiǎn)卧M。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，上部桁架和下部高支墩采用縱向可滑動(dòng)的支座連接。因此，有限元建模時(shí)將上部桁架與下部高支墩的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在豎向及橫向進(jìn)行約束，而在縱向放松約束。橋面板單元與桁架的梁?jiǎn)卧捎诠?jié)點(diǎn)的自由度數(shù)不統(tǒng)一，有限元模型統(tǒng)一建立時(shí)容易計(jì)算出錯(cuò)。因此在建模過(guò)程中并不直接建立橋面板單元，而是以初始荷載的形式施加在上部桁架中。桁架棧橋的整體模型及約束關(guān)系均建立完畢后，在模型中輸入與試驗(yàn)相同的荷載制度，并計(jì)算得出每級(jí)荷載下的應(yīng)變極值，如表 5 所示。滿載時(shí)應(yīng)變?cè)茍D及變形圖如圖 11 及圖 12 所示。根據(jù)有限元分析結(jié)果，應(yīng)變值較大位置在端斜桿處，較小值在跨中上下懸桿處且構(gòu)件變形均處于彈性范圍內(nèi)，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。由圖 11 及圖 12 可見(jiàn)，有限元分析結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果偏大，其主要原因?yàn)樵辉囼?yàn)荷載被桁架的周邊結(jié)構(gòu)所分擔(dān)。因此鋼桁架受到試驗(yàn)荷載時(shí)更具安全性。

圖8 應(yīng)變時(shí)程曲線

圖9 各測(cè)點(diǎn)加載應(yīng)變極值曲線

圖10 有限元模型

表5 有限元分析結(jié)果

圖11 滿載桁架應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明鋼桁架在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)。與有限元分析結(jié)果對(duì)比后可得，鋼桁架承載能力有較大富余，安全系數(shù)較高，該種鋼結(jié)構(gòu)棧橋的結(jié)構(gòu)形式可在類似的水利建設(shè)工程中推廣。

試驗(yàn)中采用的非接觸式測(cè)量方法可推廣應(yīng)用到相同或相似的工程試驗(yàn)中，解決超凈高工程結(jié)構(gòu)原位撓度不便測(cè)量的問(wèn)題。