基于靜載試驗(yàn)的I型鋼-混組合梁橋的荷載橫向分布研究

張國(guó)平，張欽宇，朱洲洲

(湖北交通工程檢測(cè)中心有限公司，湖北 武漢 430200)

0 引 言

裝配式鋼-混組合梁橋，由于其自重輕、可在工廠流水化制造，施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)橋梁工業(yè)化建造以及快速施工。對(duì)于裝配式多主梁鋼-混組合梁橋，主梁之間通過(guò)橫向聯(lián)系、主梁與橋面預(yù)制板通過(guò)剪力釘形成整體，共同承受外部荷載，因此，橫向聯(lián)系的好壞直接影響了橋梁整體的承載能力。我們通常希望多主梁受力變形協(xié)調(diào)一致，各主梁受力均勻。對(duì)于裝配式多主梁混凝土橋梁，在設(shè)計(jì)時(shí)一般將不同的主梁賦予不同的橫向分布系數(shù),將空間結(jié)構(gòu)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算，且設(shè)計(jì)通常比實(shí)際受力偏安全[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)多主梁結(jié)構(gòu)橫向分布的計(jì)算理論較多，并且有很多學(xué)者通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了相關(guān)計(jì)算理論的適用范圍。國(guó)內(nèi)通常計(jì)算橋梁橫向分布系數(shù)的方法包括杠桿原理法、偏心壓力法(或修正的偏心壓力法)、鉸接板(梁)法、剛接梁法、比擬正交異性板法(G-M法)等。陳勇軍等[2]采用傳統(tǒng)橫向分布系數(shù)計(jì)算方法與有限元分析法進(jìn)行對(duì)比分析，得出采用“G-M”法計(jì)算20 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁的橫向分布系數(shù)誤差最小。閆林君等[3]針對(duì)不同跨徑、不同主梁間距、不同主梁數(shù)的鋼-混組合梁應(yīng)用經(jīng)典橫向分布系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行分析，并與有限元建模分析對(duì)比，指出傳統(tǒng)橫向分布計(jì)算理論不足之處，提出了適用于鋼-混組合梁橫向分布系數(shù)的通用計(jì)算公式。唐治軍等[4]通過(guò)荷載試驗(yàn)驗(yàn)證ANSYS有限元法、剛接梁法在現(xiàn)澆橋面板Ⅰ型組合混凝土橋梁上應(yīng)用的可靠性。韋立林[5]等對(duì)簡(jiǎn)支空心板橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)測(cè)試橋梁的橫向分布系數(shù)。但目前尚未有工程人員通過(guò)I型鋼-混組合梁工程實(shí)例驗(yàn)證傳統(tǒng)橫向分布計(jì)算理論的適用范圍。本文利用有限元分析軟件Midas Civil建立30 m跨徑的裝配式I型鋼-混組合梁橋結(jié)構(gòu)模型，并計(jì)算出橫向分布系數(shù)，同時(shí)通過(guò)對(duì)實(shí)橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，實(shí)測(cè)鋼-混組合梁在各工況下的撓度值反算橋梁荷載橫向分布系數(shù)，并與傳統(tǒng)計(jì)算方法、有限元法進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證上述橫向分布計(jì)算理論和有限元法的有效性。

1 不同計(jì)算理論對(duì)比

1.1 工程實(shí)例概況

本研究選用的工程案例為位于湖北省江北東高速公路的某橋梁，其上部構(gòu)造采用[6×30+4×(5×30)+3×40+6×(5×30)+3×40+5×30+4×30+3×40+5×30+4×40]m十八聯(lián)簡(jiǎn)支橋面連續(xù)鋼-混組合梁，交角90°，橋面凈寬為2×凈11.75m。主梁橫向布置為4片Ⅰ型鋼-混組合梁，其中30 m跨徑的橋梁Ⅰ型鋼主梁梁高為1.4 m，40 m跨徑的橋梁Ⅰ型鋼主梁梁高為1.8 m，橋梁橫斷面如圖1所示。橋面板均采用C55混凝土，鋼主梁為Q345qD鋼材。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路—Ⅰ級(jí)。

圖1 Ⅰ型鋼-混組合橋梁橫斷面示意圖

主梁采用“開(kāi)口鋼板梁+混凝土橋面板”的鋼-混組合梁，橫向每2片工字型鋼主梁組成一榀吊裝結(jié)構(gòu)，兩榀間橫向采用濕接頭連接。每?jī)砷g鋼橫撐10 m左右設(shè)一道。榀內(nèi)橫撐每5 m左右設(shè)一道。鋼筋混凝土橋面板厚23 cm，榀間組合梁吊裝就位后，通過(guò)現(xiàn)澆微膨脹混凝土濕接頭形成整體，鋼梁和鋼筋混凝土橋面板通過(guò)布置在鋼梁頂板處的焊釘剪力鍵形成組合梁。

1.2 橋梁荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算

采用不同橫向分布系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算本項(xiàng)目Ⅰ型鋼-混組合梁橋的荷載橫向分布系數(shù)。

1.2.1 有限元法

采用MIDAS Civil建立了30 m鋼-混組合梁空間梁格有限元模型。利用Civil截面特性計(jì)算器，按照剛度等效原則，將混凝土面板截面換算為鋼截面，形成換算截面；主梁、鋼橫撐均采用梁?jiǎn)卧M，混凝土橋面板采用虛擬橫梁連接，鋼主梁、鋼橫撐與橋面板虛擬橫梁的連接直接采用剛性連接模擬，橋梁支座采用一般支撐模擬。同時(shí)模型中，忽略橋面板和鋼主梁之間的相對(duì)滑移效應(yīng)。該計(jì)算方法在文獻(xiàn)[6]被證明其有效?？鐝綖?0 m的鋼-混組合梁有限元模型如圖2所示。根據(jù)橋梁荷載橫向分析系數(shù)的定義，依次對(duì)各片主梁施加集中力10 kN，查看各主梁的控制截面的位移或應(yīng)變值，如圖3所示；并參考公式(1)計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)豎標(biāo)值[7]。

圖2 Midas Civil鋼-混組合橋梁有限元模型圖

圖3 集中力施加在1號(hào)梁時(shí)跨中截面位移等值線

(1)

式中：ηij為在主梁1/4截面或跨中截面橫向影響線豎標(biāo)值；fij為集中力作用在i號(hào)梁上時(shí)j號(hào)梁產(chǎn)生的位移或應(yīng)變值；n為主梁片數(shù)。

集中力作用下各主梁橫向分布影響線豎標(biāo)值，見(jiàn)表1。

表1 30 m鋼-混組合梁集中力作用下1/4截面、跨中截面橫向分布影響線豎標(biāo)

根據(jù)各主梁橫向分布影響線豎標(biāo)，繪制各主梁的橫向分布影響線。對(duì)橫向分布影響線，按照最不利布載原則，參考公式(2)計(jì)算各主梁橫向分布系數(shù)mi。其中1#、2#梁橫向分布計(jì)算最不利布載如圖4所示。

圖4 主梁橫向分布系數(shù)計(jì)算圖示

(2)

式中：ηij為i號(hào)梁橫向影響線上各車(chē)輪對(duì)應(yīng)橫向影響線豎標(biāo)值；n為車(chē)輪總數(shù)量。

各主梁荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 有限元法橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果

1.2.2 傳統(tǒng)橫向分析系數(shù)計(jì)算法

傳統(tǒng)橫向分布系數(shù)計(jì)算方法，按照文獻(xiàn)[1]，支點(diǎn)截面采用杠桿原理法；1/4截面至跨中截面，可根據(jù)適用條件選擇偏心壓力法、修正的偏心壓力法、鉸接板梁法、剛接梁法、“G-M”法。由于本項(xiàng)目橋梁主梁橫向連接較多，顯然鉸接板梁法不合適，本文僅探討偏心壓力法、修正的偏心壓力法、剛接梁法、“G-M”法對(duì)30 m鋼-混組合梁橫向分布系數(shù)計(jì)算的適用性。30 m鋼-混組合梁橋傳統(tǒng)橫向分布系數(shù)計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 傳統(tǒng)方法計(jì)算橫向分布系數(shù)

2 荷載橫向分布靜載試驗(yàn)

橋梁荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)兩部分。靜載試驗(yàn)是通過(guò)橋梁加載試驗(yàn)，實(shí)測(cè)橋梁在各工況荷載作用下的結(jié)構(gòu)撓度、應(yīng)變，并與模型理論計(jì)算值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還可以得到橋梁整體結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變縱橫向曲線反應(yīng)。而動(dòng)載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)或行車(chē)荷載下動(dòng)力響應(yīng)。故本文主要通過(guò)靜載試驗(yàn)研究Ⅰ型鋼-混組合梁荷載橫向分布特性。

2.1 靜載試驗(yàn)工況及加載車(chē)輛

本次靜載試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，測(cè)試試驗(yàn)橋跨在車(chē)輛荷載作用下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、撓度及殘余值。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)有關(guān)規(guī)定，靜載試驗(yàn)效率取0.85～1.05[8]。

(3)

式中：Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效率值；S為控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ為按規(guī)范取值的沖擊系數(shù)值。

本次靜載試驗(yàn)采用400 kN雙后軸加載車(chē)，加載車(chē)軸重及軸距分布見(jiàn)表4。

表4 加載車(chē)軸重、輪距分布

在保證靜載試驗(yàn)效率前提下，按照荷載等效原則以及主梁最不利受力原則，確定本次橋梁靜載試驗(yàn)分為4個(gè)工況，分別為跨中截面1#梁最大正彎矩工況、2#梁最大正彎矩工況、1/4截面1#梁最大正彎矩工況以及2#梁最大正彎矩工況。靜載試驗(yàn)理論控制內(nèi)力值和試驗(yàn)荷載等效值，以midas Civil建立的有限元法模型計(jì)算。靜載試驗(yàn)工況內(nèi)力值及加載效率見(jiàn)表5。橋梁各工況加載車(chē)載位布置圖，如圖5、圖6所示。

表5 靜載試驗(yàn)工況及試驗(yàn)效率

圖5 30 m鋼-混組合梁荷載橫向布載圖(單位：cm)

圖6 30 m鋼-混組合梁靜載試驗(yàn)縱向布載圖(單位：cm)

2.2 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

本次靜載試驗(yàn)，主要測(cè)試鋼-混組合梁加載后的跨中截面、1/4截面撓度和應(yīng)變，觀測(cè)卸載后的橋梁狀態(tài)恢復(fù)狀況。各測(cè)試斷面每片梁底設(shè)置撓度測(cè)點(diǎn)1個(gè)，共計(jì)8個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)；各測(cè)試斷面每片梁底設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)1個(gè)，共計(jì)8個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。其中撓度測(cè)試采用位移傳感器測(cè)試、應(yīng)變測(cè)試采用東華DH3819無(wú)線靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)試。為消除溫度對(duì)靜載試驗(yàn)結(jié)果的影響，本次靜載試驗(yàn)選擇在氣溫較低且平穩(wěn)的晚上進(jìn)行。

2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

表6列出了各靜載試驗(yàn)工況下，實(shí)測(cè)各主梁的撓度最大值以及校驗(yàn)系數(shù)。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)于鋼橋結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.75～1.0，混凝土結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.50～0.90，本次靜載試驗(yàn)撓度校驗(yàn)系數(shù)介于兩者之間，均滿足規(guī)范要求，同時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的相對(duì)殘余值均小于20%，說(shuō)明卸載后橋梁的性能狀態(tài)恢復(fù)良好。

表6 靜載試驗(yàn)主梁撓度統(tǒng)計(jì)表

3 綜合對(duì)比分析

為評(píng)價(jià)靜載試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果的吻合程度，根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果反算各主梁荷載橫向分布系數(shù)，并與前文4種傳統(tǒng)橫向分布計(jì)算方法及有限元模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到跨中截面和1/4截面荷載橫向分布系數(shù)綜合對(duì)比表，見(jiàn)表7、表8。圖7、圖8為有限元法、G-M法、偏心壓力法、修正的偏心壓力法、剛接梁法計(jì)算的荷載橫向分布系數(shù)與靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)的荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比圖。

圖7 跨中截面1#～4#梁荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比

圖8 1/4截面1#～4#梁荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比

表7 跨中截面橫向分布系數(shù)綜合對(duì)比

表8 1/4截面橫向分布系數(shù)綜合對(duì)比

從表7可以看出，對(duì)于跨中截面，偏心壓力法、修正的偏心壓力法、剛接梁法橫向分布計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大，最大偏差達(dá)到了29.77%。G-M法和有限元法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差相對(duì)較小，其中G-M法最大偏差為-9.73%。

從表8可以看出，對(duì)于1/4截面，同樣偏心壓力法、修正的偏心壓力法、剛接梁法橫向分布計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大，最大偏差達(dá)到了27.63%。G-M法和有限元法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差相對(duì)較小，其中G-M法最大偏差為-11.82%。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，可以看出：

(1)從靜載試驗(yàn)撓度實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比分析，各測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余比均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，證明橋梁承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，工作性能良好。

(2)從1/4截面和跨中截面的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，荷載橫向分布系數(shù)沿縱向是變化的，且1/4截面荷載橫向分布系數(shù)比跨中截面稍大些；邊梁的實(shí)測(cè)荷載橫向分布系數(shù)比理論計(jì)算值要小，而中梁的實(shí)測(cè)荷載橫向分布系數(shù)比理論計(jì)算值要大，說(shuō)明實(shí)際橫向聯(lián)系要比理論計(jì)算要好。

(3)上述4種傳統(tǒng)荷載橫向分布計(jì)算方法，30 m跨徑的Ⅰ型鋼-混組合梁采用“G-M”法及有限元法計(jì)算的荷載橫向分布規(guī)律，與靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)變化規(guī)律一致性較好，偏差在15%以內(nèi)；而對(duì)于偏心壓力法、修正的偏心壓力法以及剛接梁法計(jì)算結(jié)果與靜載實(shí)測(cè)值偏差較大，最大偏差接近29.77%，設(shè)計(jì)時(shí)，采用此3種方法過(guò)于保守，對(duì)材料造成浪費(fèi)。

(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于30 m跨徑的4片Ⅰ型鋼-混組合梁橋型，跨中和1/4位置存在鋼橫撐，且寬跨比小于0.5時(shí)，當(dāng)采用傳統(tǒng)計(jì)算方法時(shí)，“G-M法”誤差最小。