王智豐，尹 犟，曹 磊，張大海

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在融入現(xiàn)代高新加工處理技術(shù)后，克服了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的自身缺陷，將設(shè)計(jì)與建造的融美感、功能性與高性價(jià)比集于一體，具有資源再生、綠色環(huán)保、保溫隔熱、強(qiáng)重比高、美觀、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，以及防震抗風(fēng)、防潮防腐、防火防蟻、穩(wěn)定性高、耐久性好等特點(diǎn)，且正向高負(fù)載、大跨度的方向進(jìn)軍，堪與現(xiàn)代混凝土、鋼結(jié)構(gòu)相媲美。

發(fā)達(dá)國(guó)家在工程建設(shè)中十分重視工程木結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代初，美國(guó)開(kāi)始研究橋梁用大跨重型工程木結(jié)構(gòu)材料制造技術(shù)。隨后加拿大、英國(guó)、日本、挪威、澳大利亞等國(guó)家也紛紛對(duì)其開(kāi)展了大量研究，形成了較成熟的技術(shù)體系，并將其廣泛應(yīng)用于大型商業(yè)和工業(yè)建筑以及學(xué)校、體育場(chǎng)館、別墅、會(huì)所和橋梁等領(lǐng)域[1]。挪威于2003年建成世界上設(shè)計(jì)車輛荷載滿載運(yùn)行、跨度最長(zhǎng)的Flisa橋(主跨70.34 m)[2]，并著手開(kāi)展對(duì)木結(jié)構(gòu)橋梁運(yùn)營(yíng)階段長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。目前，國(guó)外已經(jīng)形成一套完整技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，包括膠合木制造、改性處理，構(gòu)件設(shè)計(jì)、檢測(cè)，結(jié)構(gòu)施工、驗(yàn)收和養(yǎng)護(hù)等。

我國(guó)對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代末，開(kāi)始引進(jìn)西方現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑，目前已取得不少研究成果[3-8]。劉偉慶等[3]主要研究了速生材楊木、意楊等工程復(fù)合木構(gòu)件的抗彎性能及FRP增加膠合木梁性能等。祝恩淳等[4]對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)的釘連接以及剪力墻抗側(cè)力性能開(kāi)展了較多研究。程羽[5]研究了楊木和樺木兩種不同結(jié)構(gòu)的木材與木塑復(fù)合材料(WPC)的疲勞性能和疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理。李玲等[6]研究了在疲勞/蠕變交互作用下竹木復(fù)合層合板的斷裂損傷行為。然而這些研究的對(duì)象主要是輕型木結(jié)構(gòu)的小尺寸構(gòu)件，對(duì)大跨重型木結(jié)構(gòu)整體受力性能的研究相對(duì)缺乏，導(dǎo)致對(duì)木結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)安全性存在較大質(zhì)疑，嚴(yán)重制約了其在橋梁工程等大跨工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

課題組通過(guò)與美國(guó)西部木結(jié)構(gòu)公司(WWS)合作，建造了一座膠合木結(jié)構(gòu)示范人行橋。該橋根據(jù)中國(guó)規(guī)范CJJ69—95[9]和GB50005—2003[10]設(shè)計(jì)，并按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NDS2005[11]和AITC 117—2004[12]制造。為了檢驗(yàn)該橋的承載能力是否滿足要求，作者現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行了靜載試驗(yàn)。綜合橋梁靜載試驗(yàn)效應(yīng)與校驗(yàn)系數(shù)的分析結(jié)果，進(jìn)而對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)性能做出評(píng)價(jià)，為橋梁運(yùn)營(yíng)期間的安全性提供科學(xué)的數(shù)據(jù)資料，并為國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的擬訂提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 工程概況

該人行橋的結(jié)構(gòu)形式為上承式三鉸拱橋，主要由拱肋、拱上建筑物、橋面系等部分組成，主材采用美國(guó)花旗松，輔材為國(guó)內(nèi)速生樹(shù)種。橋面凈寬3.0 m、總長(zhǎng)39.5 m，計(jì)算跨徑38.07 m、計(jì)算矢高9.0 m、矢跨比f(wàn) /l=1∶4.2，設(shè)計(jì)人群荷載5.0 kN/m2。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用圓弧拱（R=26.1 m），橫向設(shè)置2根主拱肋，拱肋軸間距2.92 m，主拱截面為222 mm×686 mm，兩根拱肋之間通過(guò)8道K字撐連接，橫撐、斜撐截面尺寸分別為130 mm×305 mm、171 mm×190 mm，拱上立柱共有20個(gè)，截面尺寸采用171 mm×229 mm 和171 mm×190 mm兩種形式，立柱橫撐、斜撐截面均為130 mm×152 mm，立柱蓋梁截面尺寸為130 mm× 419 mm，橋面縱梁截面尺寸采用79 mm× 305 mm和130mm×305mm兩種形式，所有構(gòu)件均通過(guò)鋼連接板、螺栓和圓鋼銷等進(jìn)行連接。橋梁整體結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面Fig.1 Elevation view at arch level of bridge structure (mm)

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)平面Fig.2 Plan view at arch level of bridge structure (mm)

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

采用通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件Midas Civil 2010對(duì)該橋進(jìn)行有限元建模。由于橋梁的拱座為鋼筋混凝土重力式墩臺(tái)，剛度非常大，故只建立上部主體結(jié)構(gòu)有限元模型，關(guān)鍵步驟如下：

1）采用空間梁?jiǎn)卧M主拱肋、拱上立柱以及拱間橫撐、斜撐等構(gòu)件，對(duì)于木構(gòu)件的材料屬性，其值由兩組膠合木柱（A-137 mm×137 mm×500 mm，B-105 mm×105 mm× 500 mm）順紋軸心受壓試驗(yàn)確定。拱肋順紋彈性模量E1取1.05×104Mpa、其他主要木材彈性模量E2取0.93×104Mpa，泊松比μ=0.2，容重γ=8.0 kN/m3。

2）拱肋實(shí)際上是由2段拼接而成，對(duì)接節(jié)點(diǎn)如圖3所示。由對(duì)接拱肋的靜力試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)接而成的拱肋與直接成型的拱肋相比，其力學(xué)性能基本一致，可將對(duì)接節(jié)點(diǎn)看作剛接。對(duì)于鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)，若考慮為半剛性連接，則所得振型及頻率與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較多，故將這些節(jié)點(diǎn)模擬為剛接較為合適[13]。

圖3 拱肋對(duì)接節(jié)點(diǎn)Fig.3 Moment splice connection

3）拱肋拱腳支撐處模擬為鉸接，拱頂處也模擬為鉸接，這與實(shí)橋邊界條件相符。由于各構(gòu)件之間均采用剛度較大的鋼夾板螺栓連接，故有限元模型中除了橋面縱梁確為鉸接的節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)處均模擬為剛接。通過(guò)實(shí)際的建模對(duì)比試算發(fā)現(xiàn)，若將各連接節(jié)點(diǎn)模擬為鉸接或半剛性連接，則所得的結(jié)構(gòu)各階頻率及振型與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較低。

4）樓梯、橋面板及護(hù)欄等附屬構(gòu)件均模擬為恒荷載施加于主體結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)過(guò)程中也采用了這種模擬方式，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。對(duì)于各連接節(jié)點(diǎn)處的鋼連接件，由于其自重比大，較之輕便的裝配式木橋亦不可忽略，故將鋼連接件均模擬為恒荷載施加于各連接節(jié)點(diǎn)處。

主體結(jié)構(gòu)共離散為122個(gè)節(jié)點(diǎn)以及219個(gè)梁?jiǎn)卧?。全橋有限元模型如圖4所示。

圖4 木橋有限元模型Fig.4 Finite element model of timber bridge

2.2 穩(wěn)定性分析結(jié)果

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)拱橋由于采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，且跨徑較大、寬跨比較小，其失穩(wěn)形態(tài)一般是面外半波失穩(wěn)，但是由于拱發(fā)生面外失穩(wěn)時(shí)一類失穩(wěn)的特征已較為明顯，而且一類穩(wěn)定問(wèn)題力學(xué)情況簡(jiǎn)明，能夠求出拱的失穩(wěn)形態(tài)，所以一類穩(wěn)定問(wèn)題無(wú)論在理論分析中還是在工程應(yīng)用上都占有重要地位。采用有限元程序求出特征值的方法進(jìn)行面外一類彈性穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 各工況下橋梁結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定性?Table1 Stability of the bridge under different testing conditions

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01)4.3中規(guī)定，計(jì)算取值0.35 kN/m2。

3種荷載工況下結(jié)構(gòu)的彈性失穩(wěn)系數(shù)最小為7.23，大于4～5，因此該橋穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。對(duì)比工況2和工況1可以發(fā)現(xiàn)，活載作用下橋梁彈性穩(wěn)定系數(shù)降低逾30%，可見(jiàn)活載對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定性影響較大，這主要是由于結(jié)構(gòu)自重小，活載比值較大引起的。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 測(cè)試工況

根據(jù)橋梁實(shí)際特點(diǎn)，共分兩種測(cè)試工況進(jìn)行加載試驗(yàn)，各測(cè)試截面相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目匯總于表2中。測(cè)點(diǎn)布置，如圖5所示。

表2 測(cè)試工況及項(xiàng)目Table2 Testing conditions and items

圖5 測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Arrangement of testing points

3.2 加載方案

人行橋荷載試驗(yàn)?zāi)壳吧腥鄙傧嚓P(guān)技術(shù)規(guī)程，參考橋規(guī)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）8.1.2中規(guī)定[14]，靜載試驗(yàn)荷載可按控制內(nèi)力、應(yīng)力或變位等效原則確定。靜載試驗(yàn)效率可按下式計(jì)算，宜介于0.95～1.05之間。

式中：ηr—靜載試驗(yàn)荷載效率；Ss—靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值；S′—檢算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ—沖擊系數(shù)，μ=0。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，采用水袋注水(45 t)的方式進(jìn)行橋面均布加載，可以使拱肋各截面撓度達(dá)到規(guī)定的荷載效率系數(shù)要求，具體測(cè)試工況及各加載工況水箱加載布置，如圖6所示。

圖6 加載布置簡(jiǎn)圖Fig.6 Simplified diagram of loading

所有加載工況均采用分級(jí)加載，每一工況分三級(jí)加載，三級(jí)卸載。每級(jí)加載持荷時(shí)間大約為60 min，儀器讀數(shù)趨于穩(wěn)定后開(kāi)始讀數(shù)。同時(shí)，加載過(guò)程中密切注意結(jié)構(gòu)各控制點(diǎn)的應(yīng)變和位移，如遇異常情況立即終止加載。

根據(jù)測(cè)試工況計(jì)算出各主要控制截面撓度值及對(duì)應(yīng)的靜載試驗(yàn)效率系數(shù)ηr（表3）。

表3 控制截面靜載試驗(yàn)效率Table3 Response ratio of test load to design load for key cross-sections

該橋各加載工況下的靜載試驗(yàn)荷載效率介于1.01～1.02之間，滿足JTG/T J21-2011的相關(guān)要求，同時(shí)表明試驗(yàn)荷載所產(chǎn)生的最不利效應(yīng)可反映設(shè)計(jì)規(guī)范基本可變荷載效應(yīng)的特征，且不至于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損傷。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）撓度測(cè)試結(jié)果

各加載工況下相應(yīng)的撓度測(cè)試結(jié)果匯總于表4中。

表4 撓度變形測(cè)試與計(jì)算值比較?Table4 Comparing the tested deflection with calculated values(mm)

（2）應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

各加載工況下相應(yīng)的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果匯總于表5中。

（3）結(jié)果分析

實(shí)測(cè)的拱肋控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.778～0.881之間，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)豎向剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求；實(shí)測(cè)的最大相對(duì)殘余變形小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)；L/2截面最不利活載工況的全橋撓曲線平順，撓度變化規(guī)律符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并且對(duì)稱兩條測(cè)線撓度變化值基本一致。

表5 應(yīng)力測(cè)試與計(jì)算值比較?Table5 Comparing the tested stress with calculated values (Mpa)

實(shí)測(cè)的拱肋控制截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.714～0.913之間，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求；實(shí)測(cè)的最大相對(duì)殘余應(yīng)力小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。

4 結(jié)論與討論

1）木結(jié)構(gòu)人行橋自重小，附屬構(gòu)件及金屬連接件的自重對(duì)其受力影響較大，在對(duì)其進(jìn)行有限元建模分析時(shí)，應(yīng)將橋面板、護(hù)欄及各連接節(jié)點(diǎn)處的鋼連接件等構(gòu)件的自重準(zhǔn)確模擬為恒荷載施加于結(jié)構(gòu)各相應(yīng)部位。對(duì)于木構(gòu)件間常用的鋼夾板螺栓連接等節(jié)點(diǎn)連接形式，因連接剛度非常大，可將其模擬為剛接。

2）木結(jié)構(gòu)示范人行橋主要測(cè)點(diǎn)的靜力荷載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)小于理論計(jì)算值，且相對(duì)殘余變位和殘余應(yīng)力均小于20%（皆滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范要求），表明其承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。

本研究主要對(duì)木結(jié)構(gòu)人行橋的承載能力和第一類穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究，尚未開(kāi)展動(dòng)力性能方面的試驗(yàn)，因此無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)性能做出全面評(píng)價(jià)。為推廣其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，還需對(duì)木結(jié)構(gòu)人行橋的人致振動(dòng)分析、舒適度評(píng)價(jià)和減振優(yōu)化控制等開(kāi)展深入研究。