鋼-混組合連續(xù)梁-V腿連續(xù)剛構(gòu)橋靜載試驗(yàn)研究

曾勇 李勇岐 余滔 敖付勇 何孟黎 何孟松

1.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 400074

2.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心 400074

3.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司 400042

引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)是指由鋼材與混凝土材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，在荷載作用下可以共同受力、變形協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)［1］。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料性能，具有承載力高、剛度大、抗震性能和動力性能好、構(gòu)件截面尺寸小、施工快捷方便等優(yōu)點(diǎn)［2］。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼-混組合結(jié)構(gòu)可以減小構(gòu)件尺寸，減輕結(jié)構(gòu)重量，便于安裝，縮短工期。與鋼結(jié)構(gòu)相比，組合結(jié)構(gòu)可以減少用鋼量，增加剛度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能［3］。鋼-混組合連續(xù)梁-V腿連續(xù)剛構(gòu)橋是由V形墩（V形墩）和組合連續(xù)梁墩梁固結(jié)形成的新型結(jié)構(gòu)。它既有組合連續(xù)梁的受力特征，又有V腿剛構(gòu)橋的受力特征。鋼-混組合連續(xù)梁橋可以很多跨一聯(lián)甚至全橋連續(xù)，這樣既能保證行車的平順性又可以節(jié)約設(shè)置橋梁伸縮縫的費(fèi)用。

在橋梁的實(shí)際使用中，橋梁可能會受到荷載、環(huán)境、結(jié)構(gòu)缺陷等因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的下降［4］。為了保證連續(xù)剛構(gòu)橋在運(yùn)營階段的穩(wěn)定性，有必要通過結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測，確定既有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀以及在設(shè)計荷載作用下結(jié)構(gòu)是否安全可靠［5］。在橋梁運(yùn)營階段常采用荷載試驗(yàn)的方法評估橋梁的實(shí)際承載能力。對于一些常見橋型已有許多荷載試驗(yàn)的研究，如劉兵偉［6］等對大跨連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)提出了相應(yīng)維修加固意見；王雅俊［7］對雙索面斜拉橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)研究為斜拉橋的長期健康監(jiān)測提供了一個較為準(zhǔn)確的理論參考模型；白俊英［8］對橋梁荷載試驗(yàn)的加卸載方式進(jìn)行改進(jìn)提出了準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)快速評估方法。現(xiàn)階段對于鋼-混組合連續(xù)梁-V腿連續(xù)剛構(gòu)橋的荷載試驗(yàn)研究較少。本文參考某鋼-混組合連續(xù)梁-V腿連續(xù)剛構(gòu)橋，通過靜力加載試驗(yàn)，研究受力特性。

1 工程概況

某已建成鋼-混組合連續(xù)梁-V腿連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨度為20m＋24m＋34m＋56m＋34m，立面布置如圖1所示。該橋橋面板寬8.9m，橋面凈寬8m，設(shè)計荷載為公路Ⅱ級，雙車道布載。該橋主梁全橋結(jié)構(gòu)連續(xù)，僅在橋臺設(shè)置伸縮縫，行車平順性好。主梁截面為雙主梁（開口π型）鋼-混組合截面，主梁斷面如圖2所示。下部結(jié)構(gòu)的P1、P2橋墩為豎直墩，墩梁之間設(shè)置支座，P3、P4墩采用V形墩，并用高強(qiáng)螺栓與主梁固結(jié)。該橋的實(shí)橋照片如圖3所示。鋼梁為耐候鋼，該橋是目前唯一建成的鋼-混組合連續(xù)梁-V腿連續(xù)剛構(gòu)橋。

圖2 橋梁典型斷面（單位：cm）Fig.2 Bridge typical section（unit：cm）

圖3 實(shí)橋照片F(xiàn)ig.3 Real bridge photo

該橋橋面板為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中心線位置板厚約為0.3m，在與栓釘結(jié)合位置板厚為0.35m，單塊預(yù)制板橫橋向?yàn)轭A(yù)留了剪力釘群孔的一塊整板。預(yù)制板橫橋向長8.9m，縱橋向?qū)?m。鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)梁高1m，在V腿墩頂附近主梁變高到1.6m，鋼梁下翼緣寬度從0.6m變寬到0.8m，主要采用工字形截面，并帶有外封板，如圖4所示。

圖4 V腿一般構(gòu)造（單位：m）Fig.4 V-leg general structural diagram（unit：m）

2 試驗(yàn)方案

2.1 等效荷載

首先對實(shí)橋進(jìn)行外觀檢查，判斷其是否有明顯結(jié)構(gòu)缺陷，檢測其結(jié)構(gòu)尺寸是否符合設(shè)計要求、螺栓連接等是否滿足要求。這些條件都滿足時，按照當(dāng)前《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》對其進(jìn)行荷載試驗(yàn)。主要加載工況的靜力荷載效率系數(shù)位于0.86～0.96之間，滿足規(guī)范。以車輛荷載作為等效荷載加載手段，如圖5所示。車型參數(shù)：前軸6t；中后軸共重21t；a＝3.5m；b＝1.4m。車輛橫向加載位置，按橫向最不利情況考慮，即偏載工況，如圖6所示。

圖5 車型示意Fig.5 Vehicle schematics

圖6 車輛荷載橫向布置（單位：cm）Fig.6 Diagram of vehicle load lateral arrangement（unit：cm）

2.2 測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)有限元計算模型得到的內(nèi)力包絡(luò)圖，取測試斷面（J1、J2、J3、J4）如圖1所示，荷載效率系數(shù)見表1。車輛的縱向布置位置根據(jù)影響線加載計算，車輛荷載縱向布置如圖7所示。

表1 各試驗(yàn)工況荷載效率Tab.1 Load efficiency under each test condition

圖7 縱向布載示意（單位：m）Fig.7 Longitudinal loading schematics（unit：m）

橫橋向應(yīng)力、縱向撓度測點(diǎn)如圖8所示，分別布置在同一個截面的左右兩側(cè)。

圖8 測點(diǎn)布置示意Fig.8 Location of measuring point

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)時，先預(yù)壓、消除非彈性變形，然后分級加載，分級卸載；觀測并記錄加載過程中相應(yīng)的應(yīng)力和撓度數(shù)據(jù)。

3 有限元建模

本文利用Midas FEA建立實(shí)體模型，考慮栓釘?shù)哪M。其中橋面板采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，鋼梁和V腿墩則采用板單元進(jìn)行模擬，全橋?qū)嶓w模型如圖9所示。

圖9 全橋?qū)嶓w模型Fig.9 Entire bridge entity model

模擬栓釘時，首先保證橋面板與主梁結(jié)合位置的網(wǎng)格劃分一一對應(yīng)，但實(shí)體單元和板單元之間留有極小的間距，此時，可選取“最近的連接”使得三維網(wǎng)格可以和二維網(wǎng)格在選中的位置批量連接。連接方式采用彈性連接單元，此時可賦予連接單元不同向的剛度去約束節(jié)點(diǎn)。V腿墩底部和工字梁底部邊界均采用剛性連接的方式。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照實(shí)際車輛所在位置，用任意點(diǎn)荷載模擬車輪局部荷載，進(jìn)行加載計算。對比荷載作用下的實(shí)橋撓度與有限元計算撓度，同時對比鋼梁的應(yīng)力。不同荷載下全橋?qū)崪y撓度與計算撓度對比如圖10所示。

圖10 實(shí)測撓度與計算撓度值對比Fig.10 Comparison between measured deflection value and calculated deflection value

經(jīng)過實(shí)橋試驗(yàn)，測得該橋?qū)嶋H加載時，V腿墩頂撓度不同于豎直墩，在受到活載作用下該處位移不為0，說明V腿會參與到主梁受力中，此時V腿的剛度會影響成橋的撓度。有限元計算撓度與實(shí)橋測試較為吻合，說明本文計算模型對實(shí)橋撓度的模擬較好。

橋梁加載試驗(yàn)中，各控制截面實(shí)測撓度值均小于計算值，撓度驗(yàn)算系數(shù)在0.75～0.95之間的合理范圍。實(shí)測撓度最大為13.65mm，是所在跨跨徑的1/2344。在全部卸載后，控制測點(diǎn)的最大實(shí)測相對殘余變形值為17.1%，小于規(guī)范限值。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在活載作用下，鋼-混組合連續(xù)梁-V腿連續(xù)剛構(gòu)橋的V腿墩頂存在下?lián)犀F(xiàn)象。

J1～J4截面各測點(diǎn)應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。分析各截面鋼梁應(yīng)變，在荷載作用下，鋼梁的J1、J2、J3截面出現(xiàn)全截面受拉。對比J3、J4截面中的應(yīng)變片1和6、7和12，這些位置可以看見偏載作用下鋼主梁上翼緣板在主梁內(nèi)側(cè)和外側(cè)大小不等，實(shí)際在有限元中也體現(xiàn)了這個區(qū)別，說明Midas FEA對該橋應(yīng)力的模擬較好。

圖11 鋼梁應(yīng)變Fig.11 Strain of steel beam

在試驗(yàn)設(shè)計荷載作用下，鋼梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均位于0.75～0.95之間，最大相對殘余應(yīng)變值為15.0%，符合規(guī)范的要求；實(shí)測混凝土橋面拉壓應(yīng)變很小，混凝土橋面總應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)分布在0.45～0.95之間，最大相對殘余應(yīng)變值為15.4%，實(shí)測應(yīng)力不大于計算應(yīng)力且滿足規(guī)范要求，混凝土橋面板強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)語

本文針對某鋼-混組合連續(xù)梁-V腿連續(xù)剛構(gòu)橋，對試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，荷載效率為0.86～0.96，試驗(yàn)過程中未有異常現(xiàn)象，滿足規(guī)范要求。在試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面實(shí)測撓度值均小于計算值，撓度驗(yàn)算系數(shù)在0.75～0.95之間的合理范圍；鋼梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均位于0.75～0.95之間，混凝土橋面總應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)分布在0.45～0.95之間。表明試驗(yàn)橋梁受力正常，能夠達(dá)到設(shè)計要求。

通過實(shí)橋試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在活載作用下，鋼-混組合V腿連續(xù)剛構(gòu)橋的V墩墩頂會有下?lián)希讳摿簯?yīng)力呈現(xiàn)較好的規(guī)律，但通過混凝土板的應(yīng)力水平評定橋面板與主梁的結(jié)合程度卻有一定難度。