3×35m連續鋼-混組合梁橋施工期受力性能的分析*

陳嘉琪，曹素功，傅俊磊，洪 華，田 浩

（1.浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省道橋檢測與養護技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311305）

鋼混組合結構分別將抗拉性能強的鋼材和抗壓性能強的混凝土合理地用在構件的受拉區及受壓區，以最大限度地追求結構性能和經濟性[1-4]。我國公路橋梁雖然規模龐大，但是鋼結構、鋼混組合結構橋梁占比不足1%，而建成的公路鋼橋基本都是特大跨徑橋梁，常規中、小跨徑鋼結構、鋼混組合結構橋梁數量極少，鋼結構和鋼混組合結構橋梁比例遠低于發達國家[5]。當前我國中小跨徑鋼-混凝土組合梁及一些新型組合結構[6-7]在高速公路上的應用逐漸增多，部分省級設計研究院開展了鋼結構及鋼混組合結構橋梁應用研究[8-9]，編制了連續鋼板組合梁上部通用圖，并依托實際工程進行了推廣應用。

施工控制的目的是保證橋梁結構在施工過程中的安全，并將最終成橋狀態下線形和應力控制在容許偏差范圍內。在鋼混組合梁施工監控研究方面：樓金其[10]以一雙箱單室等截面鋼混組合梁橋為依托，研究了其在施工階段滑移應變發展規律及混凝土橋面板縱向和橫向應變。王天禹[11]針對港珠澳大橋淺水區非通航孔采用的85m連續組合箱梁橋在整個施工過程中的整體線形和應力進行了監控，并將施工監控數據與理論值進行了對比，針對監控過程中梁體下撓過大的問題，提出施工監控應需注意的事項。李顥旭[12]對一5×35m連續箱型組合梁橋進行了施工監控研究，該橋施工中通過支點頂升來降低墩頂負彎矩的影響，將施工過程中采集到的線形和應變與理論計算結果進行了對比分析。

本文以一（3×35+3×35）m連續鋼板組合梁橋為研究對象，為深入了解現澆橋面板連續鋼板組合梁在施工階段的受力狀態，檢驗設計的合理性。通過在試驗橋跨埋設應變傳感器，研究不同截面在不同工況下的應變規律，并進行成橋荷載試驗。為今后此類橋梁的設計和施工積累經驗。

1 工程概況

弁山大道分離立交橋位于申蘇浙皖高速公路新增湖州南太湖互通及連接線工程，中心樁號：K0+047.9，全橋共2聯：（3×35+3×35）m。橋梁立面及橫斷面如圖1所示。

圖1 弁山大道分離立交橋示意圖

2 施工階段應力測試

2.1 監控工況

選取弁山大道分離立交橋第二聯邊跨（第6跨）進行施工階段應力監控，以鋼主梁安裝架設至橋墩作為初始狀態，依據施工順序，共設三個試驗工況，分別為：工況一：澆筑邊跨（除去5#墩頂兩側各0.15L范圍）混凝土橋面板后；工況二：澆筑5#墩頂范圍內混凝土后；工況三：瀝青面層鋪裝完成后。

2.2 測點布置

采用埋入式和表貼式應變計，分別用于混凝土橋面板內鋼筋和鋼主梁應變測試。如圖2所示，A、B測點位于鋼板組合梁墩頂，C、D測點位于邊跨最大正彎矩截面；另外，在距5#墩頂0.15L截面埋設橋面板鋼筋應變測點。

圖2 監控測點位置示意圖

2.3 施工監控結果分析

2.3.1 組合截面應力分布

由試驗數據可知，橋面板澆筑后未參與受力狀態下（工況二），鋼主梁實測最大壓應力為68.9MPa（測點D上翼緣），相應位置有限元計算壓應力為104.9MPa；鋼主梁實測最大拉應力為69.9MPa（測點B上翼緣），相應位置有限元計算拉應力為100.51MPa。瀝青面層鋪裝完成后（工況三），鋼主梁實測最大壓應力為74.2MPa（測點A下緣），相應位置有限元計算壓應力為109.63MPa；鋼主梁實測最大拉應力為91.9MPa（測點A上緣），相應位置有限元計算拉應力為122.9MPa，現場實測值均小于理論計算值，且小于規范允許值270MPa。

2.3.2 橋面板應力

選取邊跨0.15L截面邊梁和中梁橋面板縱向鋼筋測點E和F（縱橋向距測點A、B5m位置）進行橋面板應變測試。計算結果表明，實測橋面板鋼筋最大拉應力為11.8MPa（測點B），相應的混凝土最大拉應力1.92MPa，有限元計算拉應力為0.82MPa；實測橋面板鋼筋最大壓應力為30.9MPa（測點D），相應的混凝土最大壓應力5.02MPa，有限元計算壓應力為0.96MPa。現場實測值均大于理論計算值，零點漂移對實測結果影響較大。

3 成橋荷載試驗

3.1 成橋荷載試驗

3.1.1 測試截面、測點選擇

根據弁山大道分離立交橋（3×35）m連續鋼板組合梁活載內力包絡圖，選取邊跨最大正彎矩截面（A截面）、近5#墩處截面（B截面）、中跨最大正彎矩截面（C截面）進行測試。

位移測量控制截面為各測試跨最大正彎矩截面（A、C截面）。撓度測點布置在鋼主梁下翼緣，每個截面3個，共計6個。應變測量控制截面為各測試跨最大正彎矩截面（A、C截面）及5#墩頂最大負彎矩截面（B截面）。應變測點布置在橋面板下緣，鋼主梁上翼緣、腹板和下翼緣，每個截面31個，共計93個。

3.1.2 試驗荷載

按照橋梁設計荷載等效換算靜載試驗加載方式和加載數量。經計算確定靜載試驗共需用380kN（車重+荷重）載重汽車6輛。前軸重70kN，雙后軸重310kN。試驗前對每輛車都嚴格過磅，記錄下各輛車的實際總重、軸重和軸間距。

3.1.3 試驗工況

弁山大道分離立交橋靜載試驗加載工況設計如下：工況一：邊跨最大正彎矩，橫橋向中載；工況二：邊跨最大正彎矩，橫橋向偏載；工況三：中跨最大正彎矩，橫橋向中載；工況四：中跨最大正彎矩，橫橋向偏載；工況五：（5#墩）墩頂附近負彎矩，橫橋向偏載。

3.1.4 試驗結果

以工況一（A截面中載）和工況四（C截面偏載）為例，試驗結果如下：

（1）在相當于設計荷載效應的試驗荷載作用下，弁山大道分離立交橋各工況下鋼主梁底緣應變校驗系數范圍為0.82~1.10；因本橋主梁為鋼結構，變異性較小，模型計算值與試驗值吻合較好。最大相對殘余應變為9.01%，殘余應變較小，說明結構接近彈性工作狀況。

（2）在相當于設計荷載效應的試驗荷載作用下，弁山大道分離立交橋各工況下撓度校驗系數范圍為1.04~1.27；略大于應變校驗系數，因本橋鋼主梁與橫梁采用螺栓連接，故撓度校驗系數偏大。最大相對殘余變位為2.13%，殘余變形較小，說明結構接近彈性工作狀況。

綜合分析表明，試驗跨在設計荷載（公路-I級）作用下，處于彈性工作狀態，其剛度和強度滿足設計要求。

3.2 動載試驗

3.2.1 試驗工況

（1）脈動試驗：該橋脈動試驗測試的主要項目為橋跨結構的自振頻率、振型及阻尼比。（2）行車（無障礙）試驗：動載試驗用一輛載重汽車（重380kN）在不同車速時的跑車試驗，跑車時速定為20km、30km、40km。

3.2.2 試驗結果

（1）頻率及阻尼比分析結果。弁山大道分離立交橋動力試驗實測基頻為2.783Hz，較理論計算值高，表明實測結果反映的結構豎向剛度比理論計算反映的結構剛度大，試驗跨整體動剛度達到設計要求。通過對振動時域曲線衰減的分析，試驗跨結構阻尼比0.019，處于正常范圍。

（2）沖擊系數分析結果。通過對無障礙行車試驗采集動應變數據，分析車輛以不同時速過橋時的動應變曲線，得出行車速度為20km/h、30km/h和40km/h時，實測沖擊系數平均值為1.047，低于規范方法計算值1.150。

4 結論

（1）施工階段墩頂負彎矩鋼主梁最大拉應力為91.9MPa，邊跨橋面板鋼筋最大壓應力為30.9MPa；鋼主梁應力實測結果均小于有限元分析結果，且小于規范限值，橋面板應力實測結果大于有限元分析結果。

（2）在相當于設計荷載效應的試驗荷載作用下，該橋各工況下鋼主梁底緣應變校驗系數和撓度校驗系數在正常范圍內，最大相對殘余應變和最大相對殘余變位分別為9.01%和2.13%。表明試驗跨在設計荷載作用下，處于彈性工作狀態，其剛度和強度滿足設計要求。

（3）試驗跨的實測基頻較理論計算值高，結構整體動剛度達到設計要求；實測阻尼比處于正常范圍；實測沖擊系數小于理論值。