大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)檢測(cè)研究

鄔海川

（上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引言

人行天橋一般地處城市核心區(qū)交通樞紐位置，多跨越城市主要道路，下方交通流量大，周邊環(huán)境復(fù)雜，可供選擇墩柱位置少，因此往往選擇大跨度。由于中心城區(qū)的城市規(guī)劃要求，人行天橋還常附帶景觀功能，常設(shè)計(jì)成異形的地標(biāo)性構(gòu)筑物。鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、承載力高、造型靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在城市人行天橋工程中應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，新型的鋼結(jié)構(gòu)形式也不斷被應(yīng)用到人行天橋工程中。新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備這四新技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了新的技術(shù)問(wèn)題，如何確保新技術(shù)的可靠應(yīng)用進(jìn)而保障工程質(zhì)量，是工程試驗(yàn)檢測(cè)工作要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

本文通過(guò)金沙江路真北路人行天橋這一典型的大跨度鋼桁架異形結(jié)構(gòu)人行天橋工程，研究探討了其大量采用的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的試驗(yàn)和檢測(cè)技術(shù)方法，既是對(duì)超越當(dāng)前規(guī)范的新技術(shù)在工程中的應(yīng)用保駕護(hù)航，也為類(lèi)似的工程積累了經(jīng)驗(yàn)，有利于新技術(shù)的不斷改進(jìn)和推廣應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 天橋概況

金沙江路真北路人行天橋，位于上海市普陀區(qū)金沙江路真北路交匯處，同時(shí)也是中環(huán)線(xiàn)和地鐵13號(hào)線(xiàn)交叉點(diǎn)。該交叉口的西北象限為綠洲中環(huán)中心（辦公+商業(yè)），西南象限為118商業(yè)廣場(chǎng)，真北路東側(cè)為長(zhǎng)風(fēng)7A地塊。天橋所在區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，交通流量大，地下管線(xiàn)密布，只有可能在四個(gè)角設(shè)置橋墩，且有作為地標(biāo)建筑的景觀要求，綜合上述情況，最終的橋型選擇只能是大跨度鋼結(jié)構(gòu)形式。

人行天橋平面呈橢圓形布置，橢圓長(zhǎng)軸約為157.7 m，短軸約為105.4 m，由4個(gè)異型橋墩支承主橋，主橋采用空間桁架鋼結(jié)構(gòu)形式，主橋跨徑布置為82.2 m+102.4 m+88.0 m+109.6 m，全長(zhǎng)為380.2 m，主橋?qū)挾?.3 m（凈寬6 m）。共設(shè)梯道7處，商業(yè)通道2處，自動(dòng)扶梯4處，無(wú)障礙電梯4座。天橋的建筑外形采用了空間結(jié)構(gòu)形式，地面為混凝土橋面板，頂面由金屬面板覆蓋，兩側(cè)為高低錯(cuò)落的桁架，桁架高度在3.15~7.85 m之間[2]，見(jiàn)圖1。

圖1 人行天橋效果圖

1.2 結(jié)構(gòu)概況

橋梁結(jié)構(gòu)型式為空間管格構(gòu)結(jié)構(gòu)。其中下弦為箱型截面鋼管，腹桿和屋面弦桿為圓鋼管。節(jié)點(diǎn)采用剛節(jié)點(diǎn)相貫。根據(jù)不同的受力部位，鋼材采用橋梁用鋼Q420qD及Q345qC。下弦節(jié)點(diǎn)為箱型鋼梁與圓腹桿相貫連接，在鋼梁內(nèi)部再加加勁肋板以保證節(jié)點(diǎn)的剛度。上弦節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。主橋共計(jì)由1664個(gè)節(jié)點(diǎn)和2288個(gè)桿件單元連接而成，見(jiàn)圖2。

圖2 人行天橋主橋側(cè)立面展開(kāi)圖

天橋結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)較多，主要是由下弦內(nèi)外圈的焊接節(jié)點(diǎn)以及上弦內(nèi)外圈的鑄鋼節(jié)點(diǎn)組成（見(jiàn)圖3、圖4）。鑄鋼節(jié)點(diǎn)幾何構(gòu)型獨(dú)特、受力情況復(fù)雜；下弦焊接節(jié)點(diǎn)內(nèi)部加勁復(fù)雜、空間受力特征明顯、傳力復(fù)雜，焊接工藝要求高，無(wú)規(guī)范設(shè)計(jì)公式可依據(jù)[3~4]。

圖3 下弦鋼板焊接節(jié)點(diǎn)

圖4 主橋上弦鑄鋼節(jié)點(diǎn)

2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

天橋?yàn)榭臻g管格構(gòu)結(jié)構(gòu)，通過(guò)大量的節(jié)點(diǎn)將管件連接成一個(gè)整體，節(jié)點(diǎn)自身的可靠性以及節(jié)點(diǎn)和鋼管件連接的焊接質(zhì)量無(wú)疑是本工程質(zhì)量最重要的關(guān)鍵所在。

作為一座跨度大、周長(zhǎng)長(zhǎng)的鋼桁架異型結(jié)構(gòu)人行天橋，大量采用了節(jié)點(diǎn)連接，這超出了當(dāng)前規(guī)范的范疇，屬于新工藝的大膽嘗試和應(yīng)用。因此，有必要對(duì)某些重要性較高的且具有一定代表性的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程安全應(yīng)用提供可靠依據(jù)。除節(jié)點(diǎn)自身的安全可靠，節(jié)點(diǎn)和相鄰管節(jié)之間連接的焊接質(zhì)量，無(wú)疑也是天橋結(jié)構(gòu)安全的核心內(nèi)容。

3 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

為了明確節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載的應(yīng)力分布情況，確保節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下的安全性，有必要對(duì)該節(jié)點(diǎn)的承載性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求，考察節(jié)點(diǎn)在一定荷載下的受力性能，檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的承載力富余度及其構(gòu)造合理性，分別選取了兩個(gè)下弦鋼板焊接節(jié)點(diǎn)（編號(hào)分別外圈的20和內(nèi)圈的119）和兩個(gè)上弦鑄鋼節(jié)點(diǎn)（編號(hào)分別為128和 146）。

考察節(jié)點(diǎn)在指定荷載條件下（下弦節(jié)點(diǎn)2倍設(shè)計(jì)荷載，上弦節(jié)點(diǎn)1.3倍設(shè)計(jì)荷載）的受力性能，驗(yàn)證和校核有限元分析的可靠性，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果，對(duì)節(jié)點(diǎn)的安全性做出判斷。

3.1 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用的是同濟(jì)大學(xué)自主設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)全方位通用加載系統(tǒng)。該球形反力架為目前國(guó)內(nèi)最大、適用性最廣的試驗(yàn)反力系統(tǒng)。試驗(yàn)件均按原型尺寸。

限于篇幅，以上弦128號(hào)鑄鋼節(jié)點(diǎn)為例說(shuō)明試驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程，見(jiàn)圖5。

圖5 128號(hào)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

正式加載前進(jìn)行預(yù)加載，檢驗(yàn)加載和測(cè)試系統(tǒng)是否正常。正式加載時(shí)，每級(jí)加載完畢后，等待1 min，記錄應(yīng)變片和位移計(jì)的讀數(shù)。預(yù)加載分4級(jí)，正式加載分10級(jí)完成，第7級(jí)荷載對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)荷載。

測(cè)點(diǎn)布置主要有三類(lèi)：一是單向應(yīng)變片，主要測(cè)量和監(jiān)控管件內(nèi)力；二是三向應(yīng)變片，主要測(cè)量節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力變化和發(fā)展規(guī)律；三是位移計(jì)，用以監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的空間變位。測(cè)點(diǎn)布置前，首先采用有限元軟件Abaqus進(jìn)行預(yù)分析，根據(jù)分析結(jié)果布置應(yīng)變片和位移計(jì)。

在上弦128號(hào)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的5根接管上共布置7個(gè)截面56個(gè)單向應(yīng)變片S1-S56；在鑄鋼節(jié)點(diǎn)上布置37個(gè)三向應(yīng)變片（111個(gè)通道）T1-T37；布置9個(gè)位移計(jì)D1-D9，其中D1-D3用于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)剛體位移，其余位移計(jì)布置在管2247和管2350端部，主要用于保證試驗(yàn)安全，見(jiàn)圖6。

圖6 128號(hào)節(jié)點(diǎn)貼片示意圖A（側(cè)視）

當(dāng)加載到1倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變讀數(shù)均處于彈性狀態(tài)；最終加載到1.3倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變讀數(shù)均處于彈性狀態(tài)。在試驗(yàn)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)區(qū)域無(wú)可見(jiàn)的變形，位移計(jì)D1、D2和D3均有讀數(shù)，但數(shù)值很小。

在整個(gè)加載過(guò)程中，128號(hào)節(jié)點(diǎn)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，在加載至1.3倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)都處于彈性狀態(tài)，表明節(jié)點(diǎn)安全并且有一定的安全儲(chǔ)備。

3.2 有限元分析

根據(jù)《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS235:2008）[5]第4.4.8條規(guī)定，鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)必須輔以有限元分析和對(duì)比。節(jié)點(diǎn)幾何構(gòu)型獨(dú)特、復(fù)雜，即使在彈性受力階段，其應(yīng)力狀態(tài)也非常復(fù)雜。由于試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，不可能通過(guò)跟蹤測(cè)試方式全方位地了解節(jié)點(diǎn)的受力性能。因此，有限單元法成為從整體把握節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的重要手段之一，同時(shí)也是試驗(yàn)研究的重要補(bǔ)充。此次試驗(yàn)研究利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行彈塑性有限元分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

限于篇幅，以上弦128號(hào)鑄鋼節(jié)點(diǎn)為例說(shuō)明分析內(nèi)容。其幾何模型見(jiàn)圖7。

圖7 128號(hào)節(jié)點(diǎn)有限元模型

有限元分析的加載方式總體上有位移加載和力加載兩類(lèi)。考慮到節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中采用力加載的方式，為了方便對(duì)比試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果，本試驗(yàn)的有限元模型中也采用力加載的方式。

有限元分析結(jié)果表明，128號(hào)節(jié)點(diǎn)在1.3倍設(shè)計(jì)荷載作用下處于彈性狀態(tài)，且節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力水平不高（見(jiàn)圖8）；有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試值總體上吻合較好。節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力水平不高，且在關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)處有限元計(jì)算得出的Mises應(yīng)力均大于試驗(yàn)測(cè)量值，因此可以認(rèn)為有限元分析結(jié)果是安全的。

圖8 1.3倍設(shè)計(jì)荷載下128號(hào)節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力云圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

綜合足尺模型靜力試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果，所有節(jié)點(diǎn)在加載至設(shè)計(jì)荷載時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)均處于彈性狀態(tài)，加載至指定荷載時(shí)（下弦節(jié)點(diǎn)2倍設(shè)計(jì)荷載，上弦節(jié)點(diǎn)1.3倍設(shè)計(jì)荷載），所有測(cè)點(diǎn)仍處于彈性狀態(tài)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載作用下是安全的，且有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，可應(yīng)用于工程。

4 焊縫無(wú)損檢測(cè)

除節(jié)點(diǎn)自身的技術(shù)可行性，節(jié)點(diǎn)和管件連接的焊接質(zhì)量無(wú)疑也是整體工程質(zhì)量的核心要點(diǎn)。

按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，針對(duì)本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇了磁粉檢測(cè)、超聲檢測(cè)、射線(xiàn)檢測(cè)和超聲相控陣技術(shù)多種方法，并相互驗(yàn)證。磁粉檢測(cè)針對(duì)焊縫的表面缺陷；超聲檢測(cè)用于焊縫內(nèi)部面積型缺陷的檢測(cè)；射線(xiàn)檢測(cè)用于焊縫內(nèi)部體積型缺陷的檢測(cè)；因本工程下弦結(jié)點(diǎn)和桿件內(nèi)部隔板較多，且所有構(gòu)件在拼裝完成以后是封閉的，故無(wú)法對(duì)下弦橋面結(jié)點(diǎn)與桿件的對(duì)接焊縫進(jìn)行射線(xiàn)抽檢，為了彌補(bǔ)這一情況，經(jīng)專(zhuān)家討論，本工程采用超聲相控陣檢測(cè)方法替代射線(xiàn)檢測(cè)方法進(jìn)行抽檢。

超聲相控陣技術(shù)的基本原理來(lái)自于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)，其換能器是由多個(gè)獨(dú)立的壓電晶片組成的陣列，按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來(lái)調(diào)節(jié)控制焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向。通過(guò)控制各個(gè)獨(dú)立陣元的延時(shí)，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可生成不同指向性的超聲波波束，產(chǎn)生不同形式的聲束效果，模擬各種斜聚焦探頭的工作，并且可以電子掃描和動(dòng)態(tài)聚焦，無(wú)需或少移動(dòng)探頭，檢測(cè)速度快，探頭放在一個(gè)位置就可以生成被檢測(cè)物體的完整圖像，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掃查。相控陣技術(shù)優(yōu)于常規(guī)超聲技術(shù)之處在于它可以使用單個(gè)探頭組合件中的多個(gè)晶片對(duì)聲束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)、聚焦和掃查。利用通常被稱(chēng)為扇形掃查的聲束偏轉(zhuǎn)，可以適當(dāng)?shù)慕嵌壬杀粶y(cè)工件的映射圖像[6]。

在檢測(cè)焊縫時(shí)，這一能力極大地提高了探測(cè)焊縫異常狀態(tài)的幾率，電子聚焦可在會(huì)出現(xiàn)缺陷的位置處優(yōu)化聲束的形狀和大小，從而可進(jìn)一步提高檢出率。在市政工程中，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用較少。將該檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在本工程中，既是對(duì)市政工程檢測(cè)的一種嘗試和突破，給檢測(cè)手段注入新鮮的血液，也是為確保工程焊接質(zhì)量增加了一道安全屏障。本工程實(shí)際應(yīng)用效果表明，超聲相控陣技術(shù)切實(shí)明顯提高了檢測(cè)可靠性。

主橋檢測(cè)分為工廠加工焊縫檢測(cè)、預(yù)拼裝焊縫檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)加工焊縫檢測(cè)3個(gè)環(huán)節(jié)。除此之外，為了保證主橋的工程質(zhì)量，在幾個(gè)重點(diǎn)工況下，如橋梁整體焊接完成，整體落架完成，橋面鋪裝完成，全部恒載到位，主橋開(kāi)放使用1個(gè)月、3個(gè)月和6個(gè)月、12個(gè)月后，對(duì)主橋焊縫特別是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置焊縫質(zhì)量進(jìn)行了抽檢（見(jiàn)圖9）。同時(shí)密切關(guān)注橋梁施工過(guò)程中的內(nèi)力、線(xiàn)形檢測(cè)數(shù)據(jù)，多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目共同表明，主橋質(zhì)量安全可靠。

5 總結(jié)與討論

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的應(yīng)用越來(lái)越多，由于設(shè)計(jì)、施工難度大，勢(shì)必不斷引入新工藝、新方法。如何確保新技術(shù)的可靠應(yīng)用進(jìn)而保障工程質(zhì)量，是工程試驗(yàn)檢測(cè)工作要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

圖9 超聲相控陣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片

金沙江路真北路人行天橋是一座典型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋，同時(shí)也是重要的地標(biāo)景觀構(gòu)筑物。橋梁結(jié)構(gòu)型式為空間管格構(gòu)結(jié)構(gòu)，大量采用節(jié)點(diǎn)連接新工藝。節(jié)點(diǎn)自身的可靠性以及節(jié)點(diǎn)和鋼管件連接的質(zhì)量無(wú)疑是本工程最重要的關(guān)鍵所在。

下面是對(duì)本文工作的幾點(diǎn)總結(jié)和討論：

（1）通過(guò)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元分析，證明了節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載作用下是安全的，且有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，可應(yīng)用于工程。

（2）選擇采用多種無(wú)損檢測(cè)方法，并相互驗(yàn)證，保證了焊縫質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果有效性，又在后續(xù)的多個(gè)重點(diǎn)工況下跟蹤抽檢，并且與其他的檢測(cè)項(xiàng)目綜合分析相互印證，保證了焊接質(zhì)量的可靠性，進(jìn)而保證了主橋工程質(zhì)量。

（3）在工程管理中，針對(duì)新工藝的應(yīng)用一定要小心謹(jǐn)慎，抓住關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，通過(guò)科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和可靠的技術(shù)手段確保新技術(shù)本身的可行和施工質(zhì)量的評(píng)價(jià)，一定要有數(shù)據(jù)說(shuō)話(huà)，用事實(shí)說(shuō)話(huà)，才能保證工程的萬(wàn)無(wú)一失。

（4）本工程中，新的節(jié)點(diǎn)工藝的應(yīng)用被證明是可行的，有助于這項(xiàng)新工藝、新技術(shù)的推廣應(yīng)用，同時(shí)也為所有采用新技術(shù)的工程如何確保新工藝的有效應(yīng)用提供一定的參考借鑒。