何建国，荆伟伟，张叶青，吴嘉慧

(1.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310052； 2.嘉善县交通运输局，浙江 嘉善 314100；3.嘉善县交通建设投资集团有限公司，浙江 嘉善 314100)

目前，国内外学者对钢混叠合梁的研究多集中在剪力键抗剪性能和组合效应上，对钢混叠合梁在不同车载作用下的受力状态却研究甚少。鉴于以上问题，本文通过对嘉善塘桥钢混叠合梁现场试验和有限元模拟对比分析，研究了钢混叠合梁在车载作用下的力学性能。

1 工程概况

嘉善塘桥位于嘉兴市嘉善县境内，主桥上部结构配跨为(35+55+35)m(见图1)，采用4片工字钢板叠合梁(见图2)，主梁间距4m，钢主梁采用Q345D工字型直腹板钢梁，混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉连接，跨内横梁为小横梁，支点横梁为加强大横梁。钢主梁采用预制拼装施工，主梁节段采用栓焊结合连接，主梁与横梁间采用栓焊结合连接。桥面板采用现浇C50钢筋混凝土结构，板厚0.25m，加腋位置0.3m(见表1)。设计荷载等级为公路-Ⅰ级。

图1 主桥立面布置(单位：cm)

图2 跨横断面布置(单位：cm)

表1 模型材料参数

2 有限元模型建立

以嘉善塘桥施工图设计资料为依据，采用桥梁有限元分析软件MIDAS/Civil，选择钢混组合梁模块，对其建模分析，建模结果如图3所示。钢混叠合梁、横梁、小横梁等采用梁单元进行模拟，建立空间梁格模型，模型共包括328个结点、402个梁单元。活荷载弯矩包络图如图4所示。

图3 MIDAS有限元分析模型

图4 活荷载弯矩包络图

在MIDAS/Civil中查看钢混叠合梁中钢主梁、混凝土桥面板的应力，如图5所示。

图5 钢混叠合梁中钢主梁与混凝土桥面板应力

在MIDAS/Civil中查看钢混叠合梁中钢混连接面的应力，如图6所示，对比分析得出，在负弯矩及剪力最大处，钢混连接面应力最大。

图6 正负弯矩、剪力及轴力最大处钢混连接面应力

3 静荷载试验方案

3.1 测试截面选择

根据弯矩包络图，结合JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》，嘉善塘桥根据受力情况，确定主桥的中跨跨中、边跨0.45L、5号墩附近断面进行测试。本桥控制截面如图7所示。各测试截面及测试内容如表2所示。

图7 桥梁测试截面示意(单位：cm)

表2 测试截面位置及测试内容

3.2 试验工况及加载位置

与静荷载试验内容对应，纵桥向按最不利位置布载；横桥向设置2种加载工况(中载、偏载),确定静荷载试验设6个加载工况(见表3)，具体如下(见图8)：①工况1 主桥边跨(第5跨)最大正弯矩，横桥向中载；②工况2 主桥边跨(第5跨)最大正弯矩，横桥向偏载；③工况3 主桥中跨(第6跨)最大正弯矩，横桥向中载；④工况4 主桥中跨(第6跨)最大正弯矩，横桥向偏载；⑤工况5 主桥边跨(5号)墩顶附近负弯矩，横桥向中载；⑥工况6 主桥边跨(5号)墩顶附近负弯矩，横桥向偏载。

图8 工况1～6试验荷载布置(单位：cm)

表3 各工况测试项目详细说明

4 试验结果及分析

试验荷载效应理论值采用桥梁结构分析专用程序MIDAS/Civil计算得到，静荷载试验结果包括试验工况下各测点应变值、位移值和挠度值。在试验荷载作用下得到各工况相应控制截面应变实测值和挠度值，将试验所得结果与建模计算结果对比分析，限于篇幅，本文仅给出工况1和工况2下应变和挠度的理论计算值和实测值对比，如图9，10所示。

由图9，10看出，在工况1，2下，各测点的应力值和挠度实测值均小于计算值，未给出的其他工况应力值和挠度也均小于计算值。

图9 工况1，2主要测点应变计算值与实测值比较

图10 工况1，2主要测点挠度计算值与实测值比较

经过计算，在相当于设计荷载效应的车辆荷载作用下，其测点在相当于设计荷载效应的车辆荷载作用下，各工况主要测点应变校验系数在0.71～0.94，所有主要测点校验系数均在1.00以下，说明桥梁强度满足设计要求；各工况主要测点挠度校验系数在0.64～0.85，所有主要测点校验系数均在1.00以下；说明桥梁刚度满足设计要求。同时，各工况下控制截面的主要测点相对残余变形(或应变)均<20%，满足规范要求，表明结构在试验荷载作用下处于弹性工作状态。实测的控制点挠度、应变与荷载的关系曲线接近直线，说明桥梁结构处于弹性工作状况。

综合分析表明，桥梁结构在设计荷载作用下处于弹性工作状态，其刚度和强度满足设计要求，桥梁整体工作性能良好。

5 动荷载试验方案

动荷载试验采用脉动法进行自振测试，由加速度传感器做拾振器，通过数据线传送到计算机中储存，在程序界面窗口即时显示，然后进行信号回放处理，在频域和时域中进行谱分析和时程分析，测试实施中采用DH610高精度超低频加速度传感器进行测量，用D-P低频加速度传感器做校核。对回放信号进行谱分析，根据自相关谱确定各阶频率。

5.1 理论分析

通过MIDAS建立该桥空间有限元分析模型，进行特征值分析，得到该桥各阶模态，主桥基频为2.582Hz，为竖向正对称振动；主桥二阶为4.996Hz，为竖向反对称振动，如图11所示。

图11 主桥一阶与二阶模态示意

5.2 测点布置

该桥脉动试验测试的主要项目为主桥桥跨结构的自振频率、阻尼比、振型。脉动试验拾振器纵向测点布置如图12所示，横向布置2个测点，在距护栏1m处。

图12 模态测量立面布置

6 测试结果与分析

实测分析与计算分析的自振频率、阻尼及振型特征说明如表4所示。

表4 实测自振频率与振型特征

对比分析表明，利用脉动试验数据分析得到嘉善塘桥主桥一阶振型为竖向正对称振动，二阶为反对称。实测振型与计算结果基本一致。竖向振动前两阶实测频率均大于理论值，说明结构实际刚度大于理论刚度，结构刚度满足设计要求。

7 结语

1)静荷载试验表明，该钢混叠合梁桥在相当于设计荷载效应的车辆荷载作用下，各工况下控制截面的主要测点相对于残余变形(或应变)较小，实测的控制点挠度、应变与荷载的关系曲线接近直线，说明桥梁结构处于弹性工作状态。各工况主要测点应变校验系数均在1.00以下，说明桥梁强度满足设计要求；各工况主要测点挠度校验系数均在1.00以下，说明桥梁刚度满足设计要求。

2)动荷载试验表明，该钢混叠合梁桥实测振型与计算结果基本一致，实测频率大于理论值，说明结构实际刚度大于理论刚度，结构刚度满足设计要求。

3)综合分析表明，该钢混叠合梁桥在相当于设计荷载(公路-Ⅰ级)作用下，处于弹性工作状态，桥梁整体工作性能良好，具有承受预定设计荷载的强度和刚度，满足设计要求。