某鋼管桁架人行棧道荷載試驗(yàn)方法研究

林月云

(三明市建設(shè)工程質(zhì)量服務(wù)中心 福建三明 353000)

0 引言

近年來，隨著我國綠色環(huán)境設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，許多城市森林公園都陸續(xù)建成各式風(fēng)格的觀光休閑人行棧道。鋼管桁架結(jié)構(gòu)因其跨越能力強(qiáng)、拼裝速度快等優(yōu)勢(shì)，越來越多應(yīng)用到人行棧道、天橋中[1-3]。由于我國鋼結(jié)構(gòu)安裝水平的參差不齊，施工過程往往存在一定的誤差、缺陷和損傷，近年來鋼結(jié)構(gòu)倒塌事故的頻繁發(fā)生，也說明了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的把控尤其重要。根據(jù)閩建建〔2013〕44號(hào)文要求，對(duì)于多跨孔徑總長超過30 m或單跨孔徑20 m及以上的市政橋梁，以及采用新材料和新工藝的，應(yīng)在設(shè)計(jì)文件注明在竣工驗(yàn)收前進(jìn)行橋梁荷載的試驗(yàn)要求。某城市新建一環(huán)山鋼管桁架人行棧道待投入使用，為提前了解建成后該結(jié)構(gòu)在游客人群荷載下的服役狀態(tài)，提前預(yù)警可能出現(xiàn)的安全性風(fēng)險(xiǎn)，本文依據(jù)現(xiàn)行檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其在靜力設(shè)計(jì)載荷作用下的使用性能進(jìn)行檢驗(yàn)，分析其承載功能，對(duì)后續(xù)運(yùn)行使用及維護(hù)提供技術(shù)參考和依據(jù)。

1 工程概況

本工程棧道主梁為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，并由Y字型或V字型鋼柱支撐，柱基礎(chǔ)采用人工挖孔樁或人工挖孔墩。

本次檢測選取一段跨度約為12.34 m的人行棧道，棧道兩側(cè)通過螺栓節(jié)點(diǎn)板與型鋼柱支撐鉸接。棧道面板總寬度為3 m，桁架節(jié)點(diǎn)構(gòu)件均采用Q345全焊接鋼結(jié)構(gòu)。

兩側(cè)設(shè)鋁合金傾斜欄桿，立柱高2.7 m。立柱與立柱間距1.2 m～1.9 m不等，欄桿立柱上設(shè)三道扶手。立柱底部通過10 mm厚鍍鋅板連接件通過螺栓與鋼桁架連接。欄桿立柱鋼板與桁架鋼管的節(jié)點(diǎn)板通過螺栓連接，利用板件螺孔承壓、螺桿抗剪來提供欄桿立柱反力。

人行棧道現(xiàn)場實(shí)景照片如圖1所示，其結(jié)構(gòu)立面示意圖和橫斷面示意圖如圖2～圖3所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)資料：人群活荷載為4.7 kN/m2，桁架吊掛荷載為0.5 kN/m2，欄桿水平荷載為2.5 kN/m，欄桿豎向荷載為1.7 kN/m。

圖1 某人行棧道

圖2 鋼桁架棧道立面示意圖

2 試驗(yàn)方案

本工程的人行棧道鋼桁架結(jié)構(gòu)，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344-2004)[4]第6.9章的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能實(shí)荷檢驗(yàn)。

由于該人行棧道即將投入使用，因此，本次檢驗(yàn)僅對(duì)其進(jìn)行使用性能檢驗(yàn)，即證實(shí)結(jié)構(gòu)在規(guī)定荷載的作用下不出現(xiàn)過大的變形和損傷，經(jīng)過檢驗(yàn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能正常使用。主要檢測方法如下：

(1)通過人行棧道靜載試驗(yàn)，測試主體鋼桁架結(jié)構(gòu)在檢驗(yàn)荷載作用下的荷載-變形曲線，以及卸載后的殘余變形，檢驗(yàn)鋼桁架主體結(jié)構(gòu)的靜力性能是否滿足規(guī)范要求。

(2)對(duì)棧道欄桿立柱進(jìn)行水平推力加載試驗(yàn)，以檢驗(yàn)欄桿結(jié)構(gòu)性能。

(3)通過對(duì)試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象綜合分析，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)做出總體評(píng)價(jià)，為竣工驗(yàn)收提供技術(shù)依據(jù)。

3 結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)荷載分析

人行棧道均采用跨內(nèi)荷載滿布的形式進(jìn)行加載。由于棧道主要管道及吊具已經(jīng)安裝完成，因此荷載試驗(yàn)僅需考慮可變活荷載。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4]附錄H中的相關(guān)規(guī)定，可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)取為1.25。由于天橋上吊掛燈具已經(jīng)安裝完成，活荷載僅依據(jù)設(shè)計(jì)資料選取人群活荷載4.8 kN/m2作為檢驗(yàn)荷載。將總施加的荷載平均分為5級(jí)來進(jìn)行分級(jí)加載，每一級(jí)加載到規(guī)定荷載后持荷不低于1 h，并每隔15 min測量一次棧道變形，當(dāng)變形數(shù)值不再明顯增加則開始下一級(jí)加載。每一級(jí)加載完成后應(yīng)對(duì)棧道主體結(jié)構(gòu)各桿件、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行人工巡查，確認(rèn)有無明顯變形和損傷。

3.2 測點(diǎn)布置

棧道的變形測量主要針對(duì)跨中的豎向位移進(jìn)行。在棧道跨中、兩側(cè)Y型鋼柱支撐處3個(gè)橫斷面內(nèi)，均設(shè)置兩個(gè)左右對(duì)稱的位移測點(diǎn)，如圖3所示?？缰胸Q向位移需通過試驗(yàn)經(jīng)支座位移進(jìn)行修正得到。

圖3 鋼管桁架棧道位移測點(diǎn)示意圖

3.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

采用木模板內(nèi)鋪塑料膜的方式，在棧道面板上搭設(shè)蓄水池，然后通過附近的消防水管引入塑料膜內(nèi)的方式加載。通過鋼尺測量模板內(nèi)的蓄水高度，確定加載的荷載數(shù)值大小?，F(xiàn)場加載情況如圖4所示。

圖4 鋼管桁架棧道蓄水加載

本次靜載試驗(yàn)共分為5級(jí)加載，分別為20%、40%、60%、80%、100%。各級(jí)荷載為1.2 kN/m2、2.4 kN/m2、3.6 kN/m2、4.8 kN/m2和6.0 kN/m2。

每級(jí)加載后均應(yīng)檢查棧道各構(gòu)件安全狀態(tài)。加載過程中，若發(fā)現(xiàn)荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯非線性，或結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)立即停止加載。

加載完成后進(jìn)行卸載，當(dāng)模板內(nèi)蓄水全部抽出后繼續(xù)測量棧道的殘余變形。

現(xiàn)場測點(diǎn)的跨中橫斷面測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的最大變形和殘余變形數(shù)值，如表1所示。由表1可以看出，卸載后棧道跨中殘余均不大于標(biāo)準(zhǔn)[4]附錄H中規(guī)定的最大變形值的20%。

表1 棧道跨中位移測點(diǎn)最大變形和殘余變形 mm

鋼管桁架人行棧道跨中橫斷面荷載-位移曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，跨中位移測點(diǎn)的荷載變形曲線基本為線性關(guān)系，說明滿載作用下棧道主體結(jié)構(gòu)處于彈性階段。經(jīng)過現(xiàn)場人工巡查，各桿件、節(jié)點(diǎn)未見明顯變形和損傷。

以上分析結(jié)果表明，所測試的鋼管桁架人行棧道使用性能滿足標(biāo)準(zhǔn)[4]的相關(guān)要求。

圖5 鋼管桁架人行棧橋跨中橫斷面荷載-位移曲線

4 欄桿水平荷載推力試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)荷載分析

對(duì)棧道跨內(nèi)選取2根欄桿立柱進(jìn)行水平推力試驗(yàn)。在進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)，忽略欄桿扶手的橫向分布作用，假定欄桿立柱單獨(dú)受力，通過兩側(cè)扶手長度換算欄桿立柱上水平等效檢驗(yàn)推力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4]附錄H中的相關(guān)規(guī)定，可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)取為1.25。

4.2 測點(diǎn)布置

水平方向位移測點(diǎn)位于立柱頂部。欄桿位移測點(diǎn)和加載裝置如圖6～圖7所示。

圖7 棧道欄桿立柱推力試驗(yàn)

4.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

采用槽鋼及方鋼通過螺栓連接成整體作為荷載的傳力裝置，以另一側(cè)欄桿作為反力裝置。裝置安裝后，將油壓千斤頂安置在槽鋼內(nèi)部，千斤頂頂出方向指向試驗(yàn)欄桿，作用點(diǎn)為欄桿立柱的頂端。

用手動(dòng)油泵向千斤頂油缸充油，對(duì)被檢測的欄桿立柱施加水平推力荷載。試驗(yàn)分3級(jí)加載，各級(jí)荷載比例為檢驗(yàn)荷載值的40%、80%、100%。

所抽取兩根欄桿立柱的試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

表2 棧道水平位移測點(diǎn)1、測點(diǎn)2最大變形和殘余變形數(shù)值 mm

圖8 測點(diǎn)1欄桿荷載-水平位移曲線

圖9 測點(diǎn)2欄桿荷載-水平位移曲線

由表2及圖8～圖9可以看出，所有測點(diǎn)荷載-水平位移曲線均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。在滿載情況下，欄桿立柱測點(diǎn)1最大彈性變形值為26.94 mm，殘余變形1.32 mm，相對(duì)殘余變形為4.9%；欄桿立柱測點(diǎn)2最大彈性變形值為15.04 mm，殘余變形1.00 mm，相對(duì)殘余變形為6.7%。欄桿的殘余變形均小于標(biāo)準(zhǔn)[4]中規(guī)定的20%限值。經(jīng)現(xiàn)場人工巡查發(fā)現(xiàn)，棧道欄桿各桿件、節(jié)點(diǎn)未見明顯變形和損傷。

以上分析結(jié)果表明，所測試的鋼管桁架人行棧道欄桿使用性能滿足標(biāo)準(zhǔn)[4]的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)某鋼管桁架人行棧道進(jìn)行了豎向靜力荷載試驗(yàn)和水平欄桿推力試驗(yàn)，分析鋼管桁架人行棧道及其欄桿立柱的使用性能，得到如下結(jié)論：

(1)該方法能有效檢測出人行棧道在豎向設(shè)計(jì)荷載作用下，其荷載-變形曲線基本成線性關(guān)系及殘余變形。

(2)該方法能有效檢測出人行棧道欄桿立柱在水平推力設(shè)計(jì)荷載作用下，其荷載-變形曲線基本成線性關(guān)系及殘余變形，且不會(huì)損傷或?qū)е氯诵袟虬l(fā)生變形。

(3)實(shí)踐證明，該檢測方法切實(shí)有效、方便快捷，為今后人行棧橋的使用性能檢測提供了一種新的方式，對(duì)同類型橋梁的檢測具有極大的參考價(jià)值。