基于靜載試驗的I型鋼-混組合梁橋的荷載橫向分布研究

張國平，張欽宇，朱洲洲

(湖北交通工程檢測中心有限公司，湖北 武漢 430200)

0 引 言

裝配式鋼-混組合梁橋，由于其自重輕、可在工廠流水化制造，施工工藝簡單等優點，可以實現橋梁工業化建造以及快速施工。對于裝配式多主梁鋼-混組合梁橋，主梁之間通過橫向聯系、主梁與橋面預制板通過剪力釘形成整體，共同承受外部荷載，因此，橫向聯系的好壞直接影響了橋梁整體的承載能力。我們通常希望多主梁受力變形協調一致，各主梁受力均勻。對于裝配式多主梁混凝土橋梁，在設計時一般將不同的主梁賦予不同的橫向分布系數,將空間結構問題轉換為簡單的平面桿系結構計算，且設計通常比實際受力偏安全[1]。

目前，國內外針對多主梁結構橫向分布的計算理論較多，并且有很多學者通過工程實例驗證了相關計算理論的適用范圍。國內通常計算橋梁橫向分布系數的方法包括杠桿原理法、偏心壓力法(或修正的偏心壓力法)、鉸接板(梁)法、剛接梁法、比擬正交異性板法(G-M法)等。陳勇軍等[2]采用傳統橫向分布系數計算方法與有限元分析法進行對比分析，得出采用“G-M”法計算20 m標準跨徑橋梁的橫向分布系數誤差最小。閆林君等[3]針對不同跨徑、不同主梁間距、不同主梁數的鋼-混組合梁應用經典橫向分布系數計算方法進行分析，并與有限元建模分析對比，指出傳統橫向分布計算理論不足之處，提出了適用于鋼-混組合梁橫向分布系數的通用計算公式。唐治軍等[4]通過荷載試驗驗證ANSYS有限元法、剛接梁法在現澆橋面板Ⅰ型組合混凝土橋梁上應用的可靠性。韋立林[5]等對簡支空心板橋進行荷載試驗測試橋梁的橫向分布系數。但目前尚未有工程人員通過I型鋼-混組合梁工程實例驗證傳統橫向分布計算理論的適用范圍。本文利用有限元分析軟件Midas Civil建立30 m跨徑的裝配式I型鋼-混組合梁橋結構模型，并計算出橫向分布系數，同時通過對實橋進行現場靜載試驗，實測鋼-混組合梁在各工況下的撓度值反算橋梁荷載橫向分布系數，并與傳統計算方法、有限元法進行對比，從而驗證上述橫向分布計算理論和有限元法的有效性。

1 不同計算理論對比

1.1 工程實例概況

本研究選用的工程案例為位于湖北省江北東高速公路的某橋梁，其上部構造采用[6×30+4×(5×30)+3×40+6×(5×30)+3×40+5×30+4×30+3×40+5×30+4×40]m十八聯簡支橋面連續鋼-混組合梁，交角90°，橋面凈寬為2×凈11.75m。主梁橫向布置為4片Ⅰ型鋼-混組合梁，其中30 m跨徑的橋梁Ⅰ型鋼主梁梁高為1.4 m，40 m跨徑的橋梁Ⅰ型鋼主梁梁高為1.8 m，橋梁橫斷面如圖1所示。橋面板均采用C55混凝土，鋼主梁為Q345qD鋼材。橋梁設計荷載等級為公路—Ⅰ級。

圖1 Ⅰ型鋼-混組合橋梁橫斷面示意圖

主梁采用“開口鋼板梁+混凝土橋面板”的鋼-混組合梁，橫向每2片工字型鋼主梁組成一榀吊裝結構，兩榀間橫向采用濕接頭連接。每兩榀間鋼橫撐10 m左右設一道。榀內橫撐每5 m左右設一道。鋼筋混凝土橋面板厚23 cm，榀間組合梁吊裝就位后，通過現澆微膨脹混凝土濕接頭形成整體，鋼梁和鋼筋混凝土橋面板通過布置在鋼梁頂板處的焊釘剪力鍵形成組合梁。

1.2 橋梁荷載橫向分布系數計算

采用不同橫向分布系數計算方法，計算本項目Ⅰ型鋼-混組合梁橋的荷載橫向分布系數。

1.2.1 有限元法

采用MIDAS Civil建立了30 m鋼-混組合梁空間梁格有限元模型。利用Civil截面特性計算器，按照剛度等效原則，將混凝土面板截面換算為鋼截面，形成換算截面；主梁、鋼橫撐均采用梁單元模擬，混凝土橋面板采用虛擬橫梁連接，鋼主梁、鋼橫撐與橋面板虛擬橫梁的連接直接采用剛性連接模擬，橋梁支座采用一般支撐模擬。同時模型中，忽略橋面板和鋼主梁之間的相對滑移效應。該計算方法在文獻[6]被證明其有效。跨徑為30 m的鋼-混組合梁有限元模型如圖2所示。根據橋梁荷載橫向分析系數的定義，依次對各片主梁施加集中力10 kN，查看各主梁的控制截面的位移或應變值，如圖3所示；并參考公式(1)計算荷載橫向分布系數豎標值[7]。

圖2 Midas Civil鋼-混組合橋梁有限元模型圖

圖3 集中力施加在1號梁時跨中截面位移等值線

(1)

式中：ηij為在主梁1/4截面或跨中截面橫向影響線豎標值；fij為集中力作用在i號梁上時j號梁產生的位移或應變值；n為主梁片數。

集中力作用下各主梁橫向分布影響線豎標值，見表1。

表1 30 m鋼-混組合梁集中力作用下1/4截面、跨中截面橫向分布影響線豎標

根據各主梁橫向分布影響線豎標，繪制各主梁的橫向分布影響線。對橫向分布影響線，按照最不利布載原則，參考公式(2)計算各主梁橫向分布系數mi。其中1#、2#梁橫向分布計算最不利布載如圖4所示。

圖4 主梁橫向分布系數計算圖示

(2)

式中：ηij為i號梁橫向影響線上各車輪對應橫向影響線豎標值；n為車輪總數量。

各主梁荷載橫向分布系數計算結果見表2。

表2 有限元法橫向分布系數計算結果

1.2.2 傳統橫向分析系數計算法

傳統橫向分布系數計算方法，按照文獻[1]，支點截面采用杠桿原理法；1/4截面至跨中截面，可根據適用條件選擇偏心壓力法、修正的偏心壓力法、鉸接板梁法、剛接梁法、“G-M”法。由于本項目橋梁主梁橫向連接較多，顯然鉸接板梁法不合適，本文僅探討偏心壓力法、修正的偏心壓力法、剛接梁法、“G-M”法對30 m鋼-混組合梁橫向分布系數計算的適用性。30 m鋼-混組合梁橋傳統橫向分布系數計算見表3。

表3 傳統方法計算橫向分布系數

2 荷載橫向分布靜載試驗

橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗兩部分。靜載試驗是通過橋梁加載試驗，實測橋梁在各工況荷載作用下的結構撓度、應變，并與模型理論計算值進行比較，檢驗橋梁結構實際承載能力是否滿足設計要求，同時還可以得到橋梁整體結構的位移、應變縱橫向曲線反應。而動載試驗是檢驗橋梁結構在環境激勵或行車荷載下動力響應。故本文主要通過靜載試驗研究Ⅰ型鋼-混組合梁荷載橫向分布特性。

2.1 靜載試驗工況及加載車輛

本次靜載試驗采用分級加載方式，測試試驗橋跨在車輛荷載作用下各測點的應變、撓度及殘余值。根據《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01—2015)有關規定，靜載試驗效率取0.85～1.05[8]。

(3)

式中：Ss為靜載試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力或位移的最大計算效率值；S為控制荷載產生的同一加載控制截面內力或位移的最不利效應計算值；μ為按規范取值的沖擊系數值。

本次靜載試驗采用400 kN雙后軸加載車，加載車軸重及軸距分布見表4。

表4 加載車軸重、輪距分布

在保證靜載試驗效率前提下，按照荷載等效原則以及主梁最不利受力原則，確定本次橋梁靜載試驗分為4個工況，分別為跨中截面1#梁最大正彎矩工況、2#梁最大正彎矩工況、1/4截面1#梁最大正彎矩工況以及2#梁最大正彎矩工況。靜載試驗理論控制內力值和試驗荷載等效值，以midas Civil建立的有限元法模型計算。靜載試驗工況內力值及加載效率見表5。橋梁各工況加載車載位布置圖，如圖5、圖6所示。

表5 靜載試驗工況及試驗效率

圖5 30 m鋼-混組合梁荷載橫向布載圖(單位：cm)

圖6 30 m鋼-混組合梁靜載試驗縱向布載圖(單位：cm)

2.2 試驗測試內容及測點布置

本次靜載試驗，主要測試鋼-混組合梁加載后的跨中截面、1/4截面撓度和應變，觀測卸載后的橋梁狀態恢復狀況。各測試斷面每片梁底設置撓度測點1個，共計8個撓度測點；各測試斷面每片梁底設置應變測點1個，共計8個應變測點。其中撓度測試采用位移傳感器測試、應變測試采用東華DH3819無線靜態應變儀進行測試。為消除溫度對靜載試驗結果的影響，本次靜載試驗選擇在氣溫較低且平穩的晚上進行。

2.3 靜載試驗結果分析

表6列出了各靜載試驗工況下，實測各主梁的撓度最大值以及校驗系數。根據《公路橋梁荷載試驗規程》，對于鋼橋結構靜載試驗撓度校驗系數為0.75～1.0，混凝土結構靜載試驗撓度校驗系數為0.50～0.90，本次靜載試驗撓度校驗系數介于兩者之間，均滿足規范要求，同時橋梁結構的相對殘余值均小于20%，說明卸載后橋梁的性能狀態恢復良好。

表6 靜載試驗主梁撓度統計表

3 綜合對比分析

為評價靜載試驗結果和理論計算結果的吻合程度，根據靜載試驗結果反算各主梁荷載橫向分布系數，并與前文4種傳統橫向分布計算方法及有限元模型的計算結果進行對比，得到跨中截面和1/4截面荷載橫向分布系數綜合對比表，見表7、表8。圖7、圖8為有限元法、G-M法、偏心壓力法、修正的偏心壓力法、剛接梁法計算的荷載橫向分布系數與靜載試驗實測的荷載橫向分布系數對比圖。

圖7 跨中截面1#～4#梁荷載橫向分布系數對比

圖8 1/4截面1#～4#梁荷載橫向分布系數對比

表7 跨中截面橫向分布系數綜合對比

表8 1/4截面橫向分布系數綜合對比

從表7可以看出，對于跨中截面，偏心壓力法、修正的偏心壓力法、剛接梁法橫向分布計算結果與實測結果偏差較大，最大偏差達到了29.77%。G-M法和有限元法計算結果與實測值偏差相對較小，其中G-M法最大偏差為-9.73%。

從表8可以看出，對于1/4截面，同樣偏心壓力法、修正的偏心壓力法、剛接梁法橫向分布計算結果與實測結果偏差較大，最大偏差達到了27.63%。G-M法和有限元法計算結果與實測值偏差相對較小，其中G-M法最大偏差為-11.82%。

4 結 論

通過以上分析，可以看出：

(1)從靜載試驗撓度實測結果與理論計算對比分析，各測點校驗系數和相對殘余比均在規范允許范圍內，證明橋梁承載能力滿足設計要求，工作性能良好。

(2)從1/4截面和跨中截面的實測結果表明，荷載橫向分布系數沿縱向是變化的，且1/4截面荷載橫向分布系數比跨中截面稍大些；邊梁的實測荷載橫向分布系數比理論計算值要小，而中梁的實測荷載橫向分布系數比理論計算值要大，說明實際橫向聯系要比理論計算要好。

(3)上述4種傳統荷載橫向分布計算方法，30 m跨徑的Ⅰ型鋼-混組合梁采用“G-M”法及有限元法計算的荷載橫向分布規律，與靜載試驗實測變化規律一致性較好，偏差在15%以內；而對于偏心壓力法、修正的偏心壓力法以及剛接梁法計算結果與靜載實測值偏差較大，最大偏差接近29.77%，設計時，采用此3種方法過于保守，對材料造成浪費。

(4)試驗結果表明，對于30 m跨徑的4片Ⅰ型鋼-混組合梁橋型，跨中和1/4位置存在鋼橫撐，且寬跨比小于0.5時，當采用傳統計算方法時，“G-M法”誤差最小。