波形钢腹板-桁式弦杆组合梁桥静动载试验研究

2021-03-11张伟

广东土木与建筑 2021年2期

张伟

（深圳市交通工程质量监督站深圳518000）

0 引言

近年来，随着桥梁技术的发展，各种新型桥梁结构应用于工程当中，如UHPC 桥面板［1］、UHPC 梁［2］、FRP-混凝土桥面板［3-4］、波形钢腹板混合梁［5］等。最近，一种波形钢腹板-桁式弦杆组合梁桥在工程中得到应用［6-7］，该组合梁桥利用钢管混凝土代替混凝土底板，钢管混凝土间通过桁架连接。该结构具有自重轻、受力合理的特点，负弯矩区的钢管混凝土可以充分发挥其受压特性。

本文对一座波形钢腹板-桁式弦杆组合梁桥开展荷载试验研究，通过静、动载试验了解该种桥型的受力特点。最后，通过试验值与有限元值的对比，评定该新型桥梁结构的力学性能。

1 工程概况

某桥上部结构为主跨45 m 的等截面高度2.8 m的波形钢腹板-桁式弦杆组合简支箱梁桥，每幅桥的宽度为20 m，如图1 所示。主梁腹板采用1600 型的Q345c 波形钢腹板，波长1 600 mm，壁厚20 mm，波高220 mm；下弦杆采用直径φ 720，壁厚20 mm，内部灌注C50微膨胀混凝土。弦管间采用横撑和斜撑构成的桁式连接，横撑和斜撑均采用双槽钢和焊于弦管上的梯形钢板焊接形成桁式弦杆，同时箱内沿纵向每4.8 m设置1道横隔，共设9道横隔，增加整体抗扭性能。支点处设置混凝土横梁，横梁厚度为1.2 m。桥梁设计荷载为城-A级。

图1 组合梁横断面及实景Fig.1 Cross Section and Application of Composite Beam

2 静载试验

2.1 有限元模型

王程伟等人［8-9］的建模方法采用MIDAS/Civil软件，对波形钢腹板-桁式弦杆组合简支箱梁进行仿真模拟。采用空间梁格模型进行结构状态分析，其中钢管混凝土采用共用节点双单元法模拟，分别模拟混凝土和钢管；波形钢腹板和钢翼缘板采用梁单元模拟；混凝土板采用平面梁格模型模拟。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite Element Model

2.2 主要测点布置

在静载试验中，主要对简支组合梁的跨中断面进行测试，通过对静载下的变形及挠度的测量，评估桥梁的技术状态。跨中断面应变和挠度测点布设如图3所示，实桥应变测点安装如图4所示。

图3 跨中断面测点布设Fig.3 Layout of Measuring Points at Mid-Span Section

图4 应变测点安装Fig.4 Installation of Strain Measuring Point

2.3 试验荷载工况

波形钢腹板-桁式弦杆组合简支箱梁的静载工况如下。⑴工况1：对称加载下跨中中梁断面最大挠度；⑵工况2：对称加载下跨中中梁断面最大拉应变；⑶工况3：偏心加载下跨中边梁断面最大挠度。

2.4 静力荷载效率

依据《公路桥梁荷载试验规程：JTG/T J21-01—2015》［10］，本次静载试验的荷载效率η 控制在0.85～1.05之间。η按式⑴计算。

式中：Ss为静载试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或位移的最大计算效应值；S 为设计标准活载不计冲击荷载作用时，产生的该加载试验项目（截面）对应的控制截面内力或变位等的最不利计算效应值；μ为冲击系数值。

各工况的荷载效率如表1所示。

表1 静力荷载试验各工项加载效率Tab.1 Loading Efficiency of Each Work Item in Static Load Test

2.5 试验结果与分析

在各试验工况作用下，该桥上部结构对应控制截面的主要测点实测挠度校验系数介于0.36～0.71 之间，实测挠度均小于计算值，结构变形正常，表明测试截面结构刚度满足要求。详细测试结果如表2所示。

表2 挠度实测值与理论值对比Tab.2 Comparison between Measured Deflection and Theoretical Deflection

在各试验工况作用下，该桥下弦管钢管底面结构对应控制截面实测应变校验系数介于0.32～0.73 之间，实测应变均小于计算值，表明测试截面结构强度满足要求。详细测试结果如表3所示。

3 动载试验

动载试验中通过脉动试验获取实桥的频率。脉动试验即在桥面无交通荷载及桥址附近无有规律振源的情境下，测定桥梁在风荷载、水流、地脉动等随机荷载激振而引起的微小振动响应。这里采用脉动试验测量桥梁的频率，通过实测值与理论值的对比，考察实桥的刚度状态。脉动试验现场实测如图5 所示。采用前述的有限元建模方法建立波形钢腹板-桁式弦杆组合简支箱梁模型，计算振型及实测频谱如图6 所示，第一阶振型为竖弯，第二阶振型为扭转。