鋼混疊合梁橋性能評價研究*

何建國，荊偉偉，張葉青，吳嘉慧

(1.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310052； 2.嘉善縣交通運輸局，浙江 嘉善 314100；3.嘉善縣交通建設投資集團有限公司，浙江 嘉善 314100)

目前，國內外學者對鋼混疊合梁的研究多集中在剪力鍵抗剪性能和組合效應上，對鋼混疊合梁在不同車載作用下的受力狀態卻研究甚少。鑒于以上問題，本文通過對嘉善塘橋鋼混疊合梁現場試驗和有限元模擬對比分析，研究了鋼混疊合梁在車載作用下的力學性能。

1 工程概況

嘉善塘橋位于嘉興市嘉善縣境內，主橋上部結構配跨為(35+55+35)m(見圖1)，采用4片工字鋼板疊合梁(見圖2)，主梁間距4m，鋼主梁采用Q345D工字型直腹板鋼梁，混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接，跨內橫梁為小橫梁，支點橫梁為加強大橫梁。鋼主梁采用預制拼裝施工，主梁節段采用栓焊結合連接，主梁與橫梁間采用栓焊結合連接。橋面板采用現澆C50鋼筋混凝土結構，板厚0.25m，加腋位置0.3m(見表1)。設計荷載等級為公路-Ⅰ級。

圖1 主橋立面布置(單位：cm)

圖2 跨橫斷面布置(單位：cm)

表1 模型材料參數

2 有限元模型建立

以嘉善塘橋施工圖設計資料為依據，采用橋梁有限元分析軟件MIDAS/Civil，選擇鋼混組合梁模塊，對其建模分析，建模結果如圖3所示。鋼混疊合梁、橫梁、小橫梁等采用梁單元進行模擬，建立空間梁格模型，模型共包括328個結點、402個梁單元。活荷載彎矩包絡圖如圖4所示。

圖3 MIDAS有限元分析模型

圖4 活荷載彎矩包絡圖

在MIDAS/Civil中查看鋼混疊合梁中鋼主梁、混凝土橋面板的應力，如圖5所示。

圖5 鋼混疊合梁中鋼主梁與混凝土橋面板應力

在MIDAS/Civil中查看鋼混疊合梁中鋼混連接面的應力，如圖6所示，對比分析得出，在負彎矩及剪力最大處，鋼混連接面應力最大。

圖6 正負彎矩、剪力及軸力最大處鋼混連接面應力

3 靜荷載試驗方案

3.1 測試截面選擇

根據彎矩包絡圖，結合JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規程》，嘉善塘橋根據受力情況，確定主橋的中跨跨中、邊跨0.45L、5號墩附近斷面進行測試。本橋控制截面如圖7所示。各測試截面及測試內容如表2所示。

圖7 橋梁測試截面示意(單位：cm)

表2 測試截面位置及測試內容

3.2 試驗工況及加載位置

與靜荷載試驗內容對應，縱橋向按最不利位置布載；橫橋向設置2種加載工況(中載、偏載),確定靜荷載試驗設6個加載工況(見表3)，具體如下(見圖8)：①工況1 主橋邊跨(第5跨)最大正彎矩，橫橋向中載；②工況2 主橋邊跨(第5跨)最大正彎矩，橫橋向偏載；③工況3 主橋中跨(第6跨)最大正彎矩，橫橋向中載；④工況4 主橋中跨(第6跨)最大正彎矩，橫橋向偏載；⑤工況5 主橋邊跨(5號)墩頂附近負彎矩，橫橋向中載；⑥工況6 主橋邊跨(5號)墩頂附近負彎矩，橫橋向偏載。

圖8 工況1～6試驗荷載布置(單位：cm)

表3 各工況測試項目詳細說明

4 試驗結果及分析

試驗荷載效應理論值采用橋梁結構分析專用程序MIDAS/Civil計算得到，靜荷載試驗結果包括試驗工況下各測點應變值、位移值和撓度值。在試驗荷載作用下得到各工況相應控制截面應變實測值和撓度值，將試驗所得結果與建模計算結果對比分析，限于篇幅，本文僅給出工況1和工況2下應變和撓度的理論計算值和實測值對比，如圖9，10所示。

由圖9，10看出，在工況1，2下，各測點的應力值和撓度實測值均小于計算值，未給出的其他工況應力值和撓度也均小于計算值。

圖9 工況1，2主要測點應變計算值與實測值比較

圖10 工況1，2主要測點撓度計算值與實測值比較

經過計算，在相當于設計荷載效應的車輛荷載作用下，其測點在相當于設計荷載效應的車輛荷載作用下，各工況主要測點應變校驗系數在0.71～0.94，所有主要測點校驗系數均在1.00以下，說明橋梁強度滿足設計要求；各工況主要測點撓度校驗系數在0.64～0.85，所有主要測點校驗系數均在1.00以下；說明橋梁剛度滿足設計要求。同時，各工況下控制截面的主要測點相對殘余變形(或應變)均<20%，滿足規范要求，表明結構在試驗荷載作用下處于彈性工作狀態。實測的控制點撓度、應變與荷載的關系曲線接近直線，說明橋梁結構處于彈性工作狀況。

綜合分析表明，橋梁結構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，橋梁整體工作性能良好。

5 動荷載試驗方案

動荷載試驗采用脈動法進行自振測試，由加速度傳感器做拾振器，通過數據線傳送到計算機中儲存，在程序界面窗口即時顯示，然后進行信號回放處理，在頻域和時域中進行譜分析和時程分析，測試實施中采用DH610高精度超低頻加速度傳感器進行測量，用D-P低頻加速度傳感器做校核。對回放信號進行譜分析，根據自相關譜確定各階頻率。

5.1 理論分析

通過MIDAS建立該橋空間有限元分析模型，進行特征值分析，得到該橋各階模態，主橋基頻為2.582Hz，為豎向正對稱振動；主橋二階為4.996Hz，為豎向反對稱振動，如圖11所示。

圖11 主橋一階與二階模態示意

5.2 測點布置

該橋脈動試驗測試的主要項目為主橋橋跨結構的自振頻率、阻尼比、振型。脈動試驗拾振器縱向測點布置如圖12所示，橫向布置2個測點，在距護欄1m處。

圖12 模態測量立面布置

6 測試結果與分析

實測分析與計算分析的自振頻率、阻尼及振型特征說明如表4所示。

表4 實測自振頻率與振型特征

對比分析表明，利用脈動試驗數據分析得到嘉善塘橋主橋一階振型為豎向正對稱振動，二階為反對稱。實測振型與計算結果基本一致。豎向振動前兩階實測頻率均大于理論值，說明結構實際剛度大于理論剛度，結構剛度滿足設計要求。

7 結語

1)靜荷載試驗表明，該鋼混疊合梁橋在相當于設計荷載效應的車輛荷載作用下，各工況下控制截面的主要測點相對于殘余變形(或應變)較小，實測的控制點撓度、應變與荷載的關系曲線接近直線，說明橋梁結構處于彈性工作狀態。各工況主要測點應變校驗系數均在1.00以下，說明橋梁強度滿足設計要求；各工況主要測點撓度校驗系數均在1.00以下，說明橋梁剛度滿足設計要求。

2)動荷載試驗表明，該鋼混疊合梁橋實測振型與計算結果基本一致，實測頻率大于理論值，說明結構實際剛度大于理論剛度，結構剛度滿足設計要求。

3)綜合分析表明，該鋼混疊合梁橋在相當于設計荷載(公路-Ⅰ級)作用下，處于彈性工作狀態，橋梁整體工作性能良好，具有承受預定設計荷載的強度和剛度，滿足設計要求。