大跨徑多箱室波折鋼腹板PC 部分斜拉橋荷載試驗分析

苗戰濤

1.河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450006；2.河南鄭大工程檢測咨詢有限公司，河南 鄭州 450001

0 引言

使用波折鋼腹板代替傳統混凝土腹板作為一種新型截面形式，其發展由期初的鋼板代替腹板至當前的波折鋼代替腹板［1］，其優勢逐漸展現出來，具有較大的發展空間；部分斜拉橋是介于傳統的連續梁橋與常規斜拉橋之間。波折鋼腹板部分斜拉橋綜合二者優點，具有造型美觀，經濟，自重輕，跨越能力強、施工周期短等特點，同時又解決了腹板開裂，預應力損失等問題，是一種較為新穎的結構形式，豐富了橋梁設計的結構形式，在特定跨徑范圍中具有較大的發展潛力。

目前國內外學者針對波折鋼腹板箱梁進行了大量的相關研究，主要聚集在單箱單室截面，就結構形式而言，主要集中在簡支梁、連續梁和連續剛構等結構形式，而針對斜拉橋的相關研究相對較少。近年來波折鋼腹板部分斜拉橋逐漸發展起來，跨徑也逐漸增大，如2015 年通車的朝陽大橋，主跨150m，2016年通車的朝陽溝水庫特大橋，主跨188m，2018 年通車的運寶黃河大橋，主跨200m。本文針對多室箱波折鋼腹板組合箱梁部分斜拉橋的靜力性能試驗進行了研究和理論分析，可為同類橋梁的設計、施工及服役期的健康監測提供重要的參考和應用價值。

1 工程概況

朝陽溝特大橋位于鄭州境316 省道上，上跨朝陽溝水庫，橋梁全長484.8m，設計跨徑為58m+118m+188m+108m。結構體系為多箱室波折鋼腹板部分斜拉橋，主梁為單箱多室截面，橋梁全寬35.0m，跨中箱梁梁高為4.5m，墩頂梁高7.0m。斜拉索為雙索面，全橋共設置52 對斜拉索，梁上索距4.8m，塔上索距1.0m［1］，索梁錨固處設置鋼桁架式橫梁。

2 靜載試驗

2.1 主要材料

箱梁頂、底板均采用標號C55 混凝土，主塔采用C50 混凝土，波折鋼腹板采用Q345D 鋼材，箱梁預應力采用公稱直徑15.2mm的鋼絞線，公稱面積140 mm2；體內束張拉控制應力為1395 MPa，體外束張拉控制應力為1209MPa；成品斜拉索采用表面環氧涂層鋼絞線。

2.2 測點布置

依據結構靜力計算分析結果，限于篇幅本文僅選取188m和108m 跨進行分析，測試截面如圖1 所示，箱梁應變測點如圖2、圖3 所示。

圖1 橋梁測試截面圖（單位：cm）

圖2 Z1 截面箱梁應力測點布置圖

圖3 Z3 截面應力測點布置圖

圖4 橫向加載位置示意圖

2.3 加載方案

本試驗采用單車總重（車自重+貨物自重）400 kN 的載重汽車進行加載，分以下4 個加載工況：

（1）工況1：188m 跨最大正彎矩橫向對稱加載；（2）工況2：188m 跨跨最大正彎矩橫向偏心加載；（3）工況3：108m 跨跨最大正彎矩橫向對稱加載；（4）工況4：108m 跨跨最大正彎矩橫向偏心加載。各加載工況的縱向加載位置如圖1 所示，橫向加載位置如圖4 所示。

3 靜載試驗結果分析

3.1 箱梁剪力滯分析［2］

為研究波折鋼箱梁的剪力滯效應，利用截面對稱性，適當加密測點。由圖5、圖6 可知，在工況1 荷載對稱作用下，Z1截面頂板混凝土剪力滯效應明顯，邊腹板、次邊腹板和中腹板處頂板實測剪力滯系數分別為0.36、1.02、1.22，中腹板處頂板剪力滯系數較其它位置大些，剪力滯系數變化趨勢與理論趨勢基本相同，且略小于理論值，而底板混凝土剪力滯效應則不太明顯。

圖5 工況1 Z1 截面頂板剪力滯系數

圖6 工況1 Z1 截面底板剪力滯系數

由圖7、圖8 可知，在工況3 荷載對稱作用下，Z3 截面頂板混凝土剪力滯效應較為明顯，各腹板處頂板實測剪力滯系數在0.85～1.28間，其中次邊板處實測最大剪力滯系數最大為1.28，次邊板處剪力滯系數大于其它位置處剪力滯系數［4］，剪力滯系數變化趨勢與理論趨勢基本相同，且略小于理論值，而底板剪力滯效應則不太明顯。

圖7 工況3 Z4 截面頂板剪力滯系數

圖8 工況3 Z4 截面底板剪力滯系數

3.2 偏載系數

Z1 截面在橫向偏心荷載作用下軸向應力偏載系數測試結果如圖9 所示，Z1 截面頂板的實測偏載系數為1.41，最大值出現于4#測點位置，即偏載加載側箱梁邊腹板與頂板相交點處，計算結果與理論分析結果基本相同；Z1 截面的底板實測偏載系數為1.58，最大值出現于15#測點位置為偏載加載側箱梁邊腹板與底板相交點處。

圖9 橫向偏心荷載下Z1 截面頂、底板軸向應力偏載系數

Z3 截面在偏心荷載作用下軸向應力偏載系數測試結果如圖10 所示，Z3 截面頂板實測偏載系數為1.22，最大值出現于1#測點位置，計算結果與理論分析結果基本相同；Z3 截面的底板實測偏載系數為1.16，最大值出現于12#測點位置，為偏載加載側箱梁邊腹板與底板相交點處，計算結果與理論分析結果基本相同。

圖10 橫向偏心荷載作用下Z4 截面頂、底板軸向應力偏載系數

總體而言，相比活載作用下偏載系數的經驗系數取值偏大，波折鋼腹板箱梁的軸向應力偏載效應比設計考慮的偏載效應更加顯著，在設計時應適當放大偏載系數的取值，增強結構整體穩定性。

3.3 波折鋼腹板剪力分布

為了研究波折鋼腹板剪力分布規律，選取Z2 截面的5 個鋼腹板，沿梁高方向在每個腹板表面布置3 組直角應變花（每組分別為水平向、豎直方向和45 度方向布置）以監測其剪應力，測點布置如圖3 所示。

圖11 工況1 各腹板相對中腹板剪應力比例

圖12 工況2 各腹板相對中腹板剪應力比例

由圖11 可以看出，在對稱荷載（工況1）作用下，各個鋼腹板中間測定剪力分配的比較均勻，而上下部測點受頂底板混凝土鋼混結合受力復雜的影響剪力均勻性較差，驗證了波折鋼腹板剪力分布的設計理念；由圖12 可以看出在偏心荷載（工況2）作用下，箱梁的5 片鋼腹板承受的最大剪應力明顯不同，與對稱加載相比，距離加載點近的一側的鋼腹板承受的最大剪應力增加，距離加載點遠的一側鋼腹板承受的最大剪應力減小，1#腹板（近加載側）到5#腹板（遠加載側）的最大剪應力基本上呈線性變化，說明波折鋼腹板在橫向偏心荷載作用下，剪力的偏載系數較大，遠大于設計考慮的經驗值，類似橋梁的設計應引起重視。

4 結論

（1）多箱室波折鋼腹板PC 部分斜拉橋箱梁頂板應力分布極不均勻，存在明顯的“負剪力滯”現象。各工況下，邊腹板剪力滯系數小于中腹板，主要是由于多室箱梁翼板剪切變形差異造成的。

（2）在橫向偏心荷載作用下多箱室波折鋼腹板箱梁偏載系數實測結果與理論分析基本相同［5］；由結果可知偏載效應較活載效應經驗系數取值偏大，且鋼腹板剪應力偏載效應北軸向應力偏載效應更為顯著，在類似橋梁設計中應引起關注，適當放大偏載系數的取值，以增強橋梁的穩定性。