Z B-200型簡(jiǎn)支貝雷梁鋼便橋靜力荷載試驗(yàn)研究

郭延飛，陳佳佳，王國(guó)煒，亓興軍

（1.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041；3.濟(jì)南金衢公路勘察設(shè)計(jì)研究有限公司，山東 濟(jì)南 250101；4.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用裝配式公路鋼橋器材架設(shè)臨時(shí)鋼便橋、應(yīng)急橋梁、“橋橋”施工塔架、支撐架、棧橋和工作平臺(tái)等多種裝配式鋼結(jié)構(gòu)，臨時(shí)便橋施工在道路保通過(guò)程中為應(yīng)急搶修搶建積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。貝雷梁鋼便橋以構(gòu)造簡(jiǎn)單、自重輕、方便快速架設(shè)及可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)在工程中得以廣泛應(yīng)用，尤其在抗震搶險(xiǎn)救災(zāi)的時(shí)候，作為架設(shè)運(yùn)送物資的便橋起到了關(guān)鍵作用[1]。貝雷梁鋼便橋作為臨時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)使用時(shí)，一般需要滿足大型重載車輛的通過(guò)要求，因此有必要對(duì)貝雷梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全計(jì)算和荷載試驗(yàn)，為鋼便橋運(yùn)營(yíng)使用提供技術(shù)依據(jù)[2]。本文結(jié)合多跨簡(jiǎn)支貝雷梁搶通工程，通過(guò)橋梁專用軟件MIDAS/CIVIL建立空間有限元模型，結(jié)合《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》中錯(cuò)孔撓度理論計(jì)算的方法，依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21－2011）對(duì)現(xiàn)有ZB-200型鋼便橋的承載能力進(jìn)行評(píng)估和判斷，為今后橋梁搶修工程提供值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

G318線竹巴籠金沙江大橋位于川藏公路分界線上，是由川進(jìn)藏的關(guān)鍵線路之一，上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為8×30 m預(yù)應(yīng)力T梁+1×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆空心板，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩、摩擦樁基礎(chǔ)。受堰塞湖泄洪影響，第2~8跨上部結(jié)構(gòu)被洪水沖毀。為盡快恢復(fù)交通，做好搶通保通和災(zāi)后重建工作，在原有橋墩和蓋梁的基礎(chǔ)上，中間7孔采用ZB-200型上承式三排單層加強(qiáng)型簡(jiǎn)支戰(zhàn)備鋼橋，兩岸邊孔保留，并對(duì)四川岸邊T梁進(jìn)行糾偏復(fù)位。橋梁橫向布置為雙側(cè)三排，兩側(cè)桁架之間設(shè)置剪力撐，I型剪刀撐適用于鋼橋奇數(shù)跨，共4跨，每跨9片；II型剪刀撐適用于鋼橋偶數(shù)跨，共3跨，每跨11片，橋面寬度：凈1.0 m（護(hù)欄）+4.2 m（行車道）+1.0 m（護(hù)欄）=6.2 m，如圖1所示。每一標(biāo)準(zhǔn)型桁架單元長(zhǎng)度為3.048 m，一孔30 m橋垮采用10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型桁架單元，相鄰兩孔簡(jiǎn)支鋼梁橋的主桁架橫向交錯(cuò)布置，每跨桁架下部設(shè)置3~4道橫梁，如圖2所示。該橋設(shè)計(jì)荷載：汽-20、掛-100（只允許單車通過(guò)），該次荷載試驗(yàn)為確定搶通工程實(shí)際工作狀況及受力狀態(tài)是否滿足試運(yùn)營(yíng)（單車50 t）階段使用要求，因而對(duì)其進(jìn)行荷載試驗(yàn)和承載能力評(píng)估[3]。

圖1 鋼桁架橋梁斷面圖（單位：mm）

圖2 鋼桁架橋梁立面圖（單位：cm）

2 靜載試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 空間有限元模型的建立

為科學(xué)進(jìn)行該橋梁的荷載試驗(yàn)，運(yùn)用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立橋梁三維空間有限元模型，通過(guò)運(yùn)營(yíng)荷載組合計(jì)算，得到相應(yīng)不利斷面，進(jìn)而確定試驗(yàn)和檢測(cè)斷面。模型中貝雷梁、橫梁采用Q345鋼，其余各構(gòu)件均采用Q235鋼材模擬；橋面13.5 cm厚花紋鋼板采用板單元模擬，其余采用梁?jiǎn)卧M。在兩片貝雷片連接位置釋放梁?jiǎn)卧獃-y方向旋轉(zhuǎn)自由度，橋面板與分配梁共用節(jié)點(diǎn)，貝雷梁與工字鋼橫梁之間的連接采用彈性連接中的一般連接[4]。試驗(yàn)荷載下彎矩包絡(luò)圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)荷載下（中載）彎矩包絡(luò)圖

2.2 加載測(cè)點(diǎn)的布置

（1）撓度測(cè)點(diǎn)布置

該跨布置6個(gè)變形測(cè)點(diǎn)，位于橋面距護(hù)欄約20 cm處及道路中心線上，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為D1~D6，變形測(cè)量采用高精度水準(zhǔn)儀，布置點(diǎn)如圖4所示。

圖4 撓度測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

（2）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)應(yīng)急保通鋼桁架進(jìn)行檢測(cè)：該跨支點(diǎn)鋼梁進(jìn)行剪力檢測(cè)，在檢測(cè)每片桁架端立柱下部各布置一處應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)；跨中每片桁架梁上、下弦桿各布置一處應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)。墩頂測(cè)點(diǎn)布置圖如圖5至圖7所示。

圖5 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

圖6 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（支座處豎桿）（單位：mm）

圖7 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（跨中弦桿）（單位：mm）

（3）橋墩偏位檢測(cè)。

在各工況試驗(yàn)汽車荷載作用下，觀測(cè)墩柱是否有偏位產(chǎn)生；記錄發(fā)現(xiàn)偏位的工況及加載等級(jí)，偏位大小和方向。觀測(cè)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)數(shù)值超過(guò)荷載計(jì)算的容許值，或出現(xiàn)其他異常情況時(shí)，應(yīng)立即停止加載。偏位測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 墩柱偏位測(cè)點(diǎn)（單位：mm）

2.3 加載車輛及加載效率

依據(jù)設(shè)計(jì)文件橋面板軸重不大于14 t，試運(yùn)營(yíng)（單車50 t）階段使用要求運(yùn)，通過(guò)三維模型計(jì)算確定靜載試驗(yàn)需要加載車2輛35 t（50 t等效荷載進(jìn)行加載）。無(wú)額定計(jì)算試驗(yàn)荷載最大彎矩4 512.8 kN·m，荷載效率系數(shù)為0.969，處于規(guī)范規(guī)定的范圍0.85~1.05，表明此試驗(yàn)加載有效。

2.4 加載工況

根據(jù)貝雷梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，按照測(cè)試界面的控制內(nèi)力及撓度布載，本橋加載過(guò)程分為四級(jí)，卸載過(guò)程分為二級(jí)。加載工況示意圖如圖9所示。

圖9 100%加載下車輛布置圖（單位：cm）

（1）預(yù)加載：零載→50%荷載值→零載

（2）正式加載：零載→工況I-1（25%）→工況I-2（50%）→工況I-3（75%）→工況I-4滿載（100%）→工況I-5（50%）→零載。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 ZB-200型鋼橋撓度計(jì)算原理

貝雷桁架間連接采用銷接，由于銷與孔間存在著設(shè)計(jì)間隙，桁架受力后兩者間的相對(duì)位移會(huì)引起結(jié)構(gòu)的非彈性撓度，所以ZB-200型鋼桁架的撓度由2部分組成[5]：（1）桁架結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的彈性撓度；（2）銷釘與銷孔之間的間隙，引起的非彈性撓度即錯(cuò)孔撓度。由文獻(xiàn)[6]可知，ZB-200型貝雷梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)3.048 m，高度2.134 m，國(guó)產(chǎn)貝雷梁孔與銷間的設(shè)計(jì)間隙為0.5 mm[6]。

《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》采用虛功原理，推導(dǎo)出單層簡(jiǎn)支貝雷梁錯(cuò)孔撓度計(jì)算公式：

式中：d為貝雷梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度的一半；θ為銷釘與銷釘孔之間的間隙Δ所引起的轉(zhuǎn)角為貝雷梁高度；n為貝雷梁節(jié)段數(shù)。

3.2 撓度測(cè)試結(jié)果分析

貝雷梁撓度測(cè)試結(jié)果表明，墩頂位置采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，變形較小未能發(fā)現(xiàn)撓度變化。跨中截面實(shí)測(cè)撓度值為34.4~35.6 mm，材料計(jì)算受力變形撓度為26.1 mm，錯(cuò)空撓度值為17.8 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.78～0.80之間。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求，表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況要好于理論狀況，結(jié)構(gòu)變形滿足彈性工作狀況要求。具體撓度對(duì)比分析情況如圖10所示。

圖10 最大正彎矩?fù)隙壤碚摀隙群蛯?shí)測(cè)撓度對(duì)比圖

3.3 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

貝雷梁應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明：各桿件實(shí)測(cè)應(yīng)變介于-189~255 με之間，殘余變形應(yīng)變介于-13~16 με之間，理論計(jì)算應(yīng)變介于-315~302 με之間，跨中截面校驗(yàn)系數(shù)在0.35～0.91之間。結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)滿足規(guī)范小于1.0的規(guī)定，表明貝雷梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)荷載和使用的要求；相對(duì)殘余應(yīng)變絕對(duì)值最大為8.13%，均小于20%的規(guī)范值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)卸載后有較好的彈性恢復(fù)能力。具體應(yīng)變對(duì)比分析情況如圖11至圖12所示。

圖11 最大正彎矩（上下弦桿）理論應(yīng)變和實(shí)測(cè)應(yīng)變對(duì)比圖

圖12 最大正彎矩墩頂豎桿理論應(yīng)變和實(shí)測(cè)應(yīng)變對(duì)比圖

3.4 墩柱偏位測(cè)試結(jié)果

測(cè)試跨徑兩邊墩柱位移結(jié)果最大偏位為4-1#墩2.8 mm下游方向，各工況主測(cè)截面偏位介于0.2~2.8 mm，墩柱位移相對(duì)較小，表明墩柱結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況要好于理論狀況。

4 結(jié) 語(yǔ)

橋梁結(jié)構(gòu)作為國(guó)省道跨越障礙物的重要組成部分，地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的橋梁破壞對(duì)災(zāi)后重建和物資運(yùn)輸帶給社會(huì)的影響巨大。本文通過(guò)對(duì)竹巴籠大橋搶修架設(shè)貝雷梁鋼便橋的荷載試驗(yàn)，判定搶修橋梁在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的承載能力。

（1）該次檢測(cè)各工況測(cè)試應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余變位絕對(duì)值滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的要求。

（2）各工況測(cè)試截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.78～0.80之間，通過(guò)貝雷梁實(shí)橋加載試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了MIDAS有限元模型和錯(cuò)孔撓度理論計(jì)算確認(rèn)撓度的可靠性。

（3）各工況的荷載試驗(yàn)效率在0.85~1.05之間，其試驗(yàn)結(jié)果表明表明貝雷梁結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)荷載和滿足單車50 t運(yùn)營(yíng)要求。