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(shè)投資集團有限公司，浙江 嘉善 314100)

目前，國內(nèi)外學(xué)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(yīng)上，對鋼混疊合梁在不同車載作用下的受力狀態(tài)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(xiàn)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(xué)性能。

1 工程概況

嘉善塘橋位于嘉興市嘉善縣境內(nèi)，主橋上部結(jié)構(gòu)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(nèi)橫梁為小橫梁，支點橫梁為加強大橫梁。鋼主梁采用預(yù)制拼裝施工，主梁節(jié)段采用栓焊結(jié)合連接，主梁與橫梁間采用栓焊結(jié)合連接。橋面板采用現(xiàn)澆C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚0.25m，加腋位置0.3m(見表1)。設(shè)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(shù)

2 有限元模型建立

以嘉善塘橋施工圖設(shè)計資料為依據(jù)，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(jié)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(jié)點、402個梁單元。活荷載彎矩包絡(luò)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(luò)圖

在MIDAS/Civil中查看鋼混疊合梁中鋼主梁、混凝土橋面板的應(yīng)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(yīng)力

在MIDAS/Civil中查看鋼混疊合梁中鋼混連接面的應(yīng)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(yīng)力最大。

圖6 正負彎矩、剪力及軸力最大處鋼混連接面應(yīng)力

3 靜荷載試驗方案

3.1 測試截面選擇

根據(jù)彎矩包絡(luò)圖，結(jié)合JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》，嘉善塘橋根據(jù)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(nèi)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(nèi)容

3.2 試驗工況及加載位置

與靜荷載試驗內(nèi)容對應(yīng)，縱橋向按最不利位置布載；橫橋向設(shè)置2種加載工況(中載、偏載),確定靜荷載試驗設(shè)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(jié)果及分析

試驗荷載效應(yīng)理論值采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序MIDAS/Civil計算得到，靜荷載試驗結(jié)果包括試驗工況下各測點應(yīng)變值、位移值和撓度值。在試驗荷載作用下得到各工況相應(yīng)控制截面應(yīng)變實測值和撓度值，將試驗所得結(jié)果與建模計算結(jié)果對比分析，限于篇幅，本文僅給出工況1和工況2下應(yīng)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(yīng)力值和撓度實測值均小于計算值，未給出的其他工況應(yīng)力值和撓度也均小于計算值。

圖9 工況1，2主要測點應(yīng)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(jīng)過計算，在相當于設(shè)計荷載效應(yīng)的車輛荷載作用下，其測點在相當于設(shè)計荷載效應(yīng)的車輛荷載作用下，各工況主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)在0.71～0.94，所有主要測點校驗系數(shù)均在1.00以下，說明橋梁強度滿足設(shè)計要求；各工況主要測點撓度校驗系數(shù)在0.64～0.85，所有主要測點校驗系數(shù)均在1.00以下；說明橋梁剛度滿足設(shè)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(yīng)變)均<20%，滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)。實測的控制點撓度、應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線接近直線，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀況。

綜合分析表明，橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)，其剛度和強度滿足設(shè)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(shù)據(jù)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(jù)自相關(guān)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(tài)，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(tài)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(jié)構(gòu)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(tài)測量立面布置

6 測試結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)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(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。

7 結(jié)語

1)靜荷載試驗表明，該鋼混疊合梁橋在相當于設(shè)計荷載效應(yīng)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(yīng)變)較小，實測的控制點撓度、應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線接近直線，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。各工況主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)均在1.00以下，說明橋梁強度滿足設(shè)計要求；各工況主要測點撓度校驗系數(shù)均在1.00以下，說明橋梁剛度滿足設(shè)計要求。

2)動荷載試驗表明，該鋼混疊合梁橋?qū)崪y振型與計算結(jié)果基本一致，實測頻率大于理論值，說明結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。

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