组合体系桥梁的结构静载试验研究
田志勇
(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)
摘 要:采用等效荷载试验模拟组合体系桥梁在最不利荷载作用下的工作状态,验证设计理论,计算方法及桥跨结构设计的合理性,评价桥跨结构在设计使用荷载下的工作性能,预测桥梁运营的状况,为桥梁维修,管理提供技术依据.
关键词:荷载试验 组合体系桥梁 应力 位移
1 工程概况
成都绕城高速公路东段服务区人行天桥结构形式为拱拉组合式异型结构桥梁,其桥跨结构布置为23.92m+62.08m等截面连续钢箱梁桥,并采用斜拉索来增大桥梁跨度.主梁采用单箱三室连续钢箱梁,钢箱梁高80cm,顶板厚10mm,斜腹板厚10mm,钢板加劲肋;顶板宽4.5m,底板宽2.6m,设置横隔板,板厚10mm;钢箱梁的所有钢板采用Q235B材质钢板;斜拉索采用低松弛无粘结渡锌钢绞线,每根斜拉索由5根15.24钢绞线组成,钢绞线的抗拉标准强度为1770MPa;主塔斜向布置,其轴线与水平面的夹角为70°,主塔表面由四块厚14mm钢板焊接围成,内部灌注C30混凝土;桥面宽度:4.5m,桥梁设计荷载等级:人群3.0kN/m2.服务区人行天桥实景见图1.
图1 服务区人行天桥实景
2 试验及测试内容
1)箱形梁承受最大正弯矩截面(A-A),以该截面承受的最大正弯矩作为控制荷载来进行试验;
2)箱形梁与塔交界处(B-B),以箱形梁承受的最大负弯矩作为控制荷载来进行试验;
3)塔与桥面交界处(C-C),以塔承受的最大弯矩作为控制荷载来进行试验;
4)测试桥梁结构的主梁应力,变形,主塔应力,变形及斜拉索索力增量.
各试验截面及位移测试截面见图2,各试验截面应变测点布置见图3及图4.
图2 试验截面布置示意图

图3 A-A,B-B截面应变测点布置图 图4 C-C截面应变测点布置图
3 模型建立与理论计算
静载试验计算采用平面模型,计算程序采用"桥梁博士"专业软件,"桥梁博士"是同豪土木公司开发的桥梁专用计算程序,具有计算可靠,结果直观的特点,在桥梁工程界应用较广.全桥结构离散成73个单元,69个节点,其中主梁47个单元,主塔21个单元,5根斜拉索5个单元,进行静力有限元计算,计算时主拱两端支座处节点约束其水平和竖直方向自由度.有限于计算模型简图见图5.
图5 有限元计算模型简图
4 试验方案设计
4.1 试验荷载
本次试验天桥各截面试验荷载均是根据人群3.0kN/m2计算其各控制截面的弯矩来设计,荷载布置形式为20m范围内均布,荷载总重为350kN,荷载效率系数为0.85~1.06,满足试验要求的0.80~1.10的范围.各试验截面的计算弯矩,试验弯矩及相应的荷载效率系数见表1.
表1 天桥各试验截面计算弯矩,试验弯矩及相应的荷载效率系数
试验截面
计算弯矩MJ(kN-m)
试验弯矩MS(kN-m)
效率系数η
A-A截面
697
736
1.06
B-B截面
-924
-962
1.04
C-C截面
-1040
-882
0.85
4.2 试验加载控制
本次试验加载采用人工堆载,堆载位置的确定主要是考虑在一次堆载的情况下使三个控制截面能同时达到试验要求,并且保证其它各截面达不到最不利荷载效应.为了防止结构意外损伤,将静力试验荷载分成预加载和3级加载,然后卸零.加载方式为单次逐级递加到最大荷载,然后逐级卸到零级荷载.主桥试验荷载加载布置见图2.
静力试验荷载的加载分级,主要依据加载重物在某一检验项目(内力或位移)影响面内纵横向位置的不同以及加载重物数量多少而分成设计控制荷载产生的该检验项目最不利效应值的40%,80%和100%.
4.3 测试方法
1)斜拉索的索力测试,实施方法为用索力仪测量其频率,将频率换算成索力;
2)应力测试,实施方法为在测试断面不同高度沿梁体纵向布置钢筋应变计,并由日产UCAM-70A万用数据采集系统进行应变测量;
3)挠度测试,实施方法为沿梁体纵向均匀布置3个竖向位移测点,每一测试截面左右缘各布置一个挠度测点,挠度测量采用大量程百分表及马克西姆挠度计读测;
4)几何变形测试,在试验荷载作用下,塔将发生位移,试验过程中需测量塔的位移,实施方法为用全站仪测量;
5)温度测量,实施方法为用红外温度测试仪测量主梁和主塔的表面温度及环境温度.
5 试验结果及分析
5.1 挠度测试结果
各工况挠度实测值与计算值比较见表2.实测人行天桥挠度校验系数介于0.37~0.99之间,结构校验系数部分值略小于试验方法建议 的0.70~1.05的合理范围,桥跨结构刚度满足设计荷载等级要求.
表2 各工况挠度实测值与计算值比较 单位:mm
工 况
测试位置/编号
实测值
计算值
校验系数
A-A,B-B,C-C断面加载
1
0.12
0.13
0.92
2
-23.85
-24.07
0.99
3
2.70
7.25
0.37
5.2 应力测试结果
各试验截面应力实测值与计算值比较见表3.实测人行天桥应力校验系数介于0.76~1.05之间,满足试验方法建议的0.70~1.05合理范围,桥跨结构强度满足设计荷载等级要求.
表3 各截面应力实测值与计算值比较 单位:MPa
加载及测试截面
测试位置
实测值
计算值
校验系数
A-A
距截面上缘10cm
-14.91
-19.61
0.76
截面下缘
15.86
18.15
0.87
B-B
距截面上缘10cm
17.22
17.61
0.98
截面下缘
-33.39
-31.74
1.05
C-C
截面上缘
5.25
6.25
0.84
截面下缘
-5.36
-6.83
0.78
5.3 斜拉索索力测试结果
在试验荷载作用下,斜拉索索力实测值及其增量见表4.从表中可以看出,1#,2#,3#及5#斜拉索实测索力增量小于计算索力增量,4#斜拉索实测索力增量略大于计算索力增量,实测值与计算值吻合较好.
表4 斜拉索索力实测值与计算值比较
斜拉索编号
零荷载频率(Hz)
满载频率(Hz)
零荷载索力(kN)
满载索力(kN)
索力增量实测值(kN)
索力增量计算值(kN)
1
4.4682
5.5176
86.30
131.59
45.30
58.6
2
2.9785
3.4180
154.59
203.58
48.99
60.5
3
2.4170
2.5146
226.82
245.51
18.69
33.6
4
2.0703
2.1094
291.63
302.75
11.12
3.99
5
1.2158
1.1963
153.87
148.97
-4.90
-12.9
5.4 主塔位移测试结果
在试验荷载作用下,主塔纵向位移实测值与计算值比较见表5.从表中可以看出,主塔位移实测值略大于计算值,主塔刚度满足设计荷载等级要求,但刚度储备并不是很大.
表5 各工况主塔位移实测值与计算值比较 单位:mm
工 况
测试位置
实测值
计算值
校验系数
A-A,B-B,C-C断面加载
主塔塔顶
8.0
7.65
1.04
6 试验结论
通过现场静载试验与理论计算进行对比分析,桥跨结构具有足够的强度和刚度,满足设计的荷载等级要求.
7 结束语
对于组合体系桥梁,虽然造型美观,跨度较大,但结构复杂,施工难度较大,主拱线形,主塔线形及斜拉索索力较难控制,通过静载试验,可检验桥梁的施工质量,评价桥跨结构在设计使用荷载下的工作性能,为完善结构分析理论积累资料,同时为其它同类型桥梁的试验提供借鉴作用.
参考文献:
[1] 夏招广,田志勇.成都绕城高速公路服务区人行天桥及场坪检测报告. 西南交通大学结构工程试验中心,2005
[2] "铁组"YC4-4/1978科研专题.大跨径混凝土桥梁试验方法.人民交通出版社,1982
[3] 宋一凡.桥梁荷载试验与结构评定.人民交通出版社,2002
[4] 邵旭东.桥梁工程.人民交通出版社,2003
作者:田志勇(1979～),男,桥梁专业硕士研究生.
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