朱春鳳，艾化學(xué)，肖 波，徐 彬，劉 浩，田 偉，金玉杰

（1.吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2.長(zhǎng)春市市政工程設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)春 130041）

隨著城市交通的快速發(fā)展，城市橋梁建設(shè)不斷向著更輕、更大跨度、更節(jié)省材料、更美觀方向發(fā)展。連續(xù)曲線鋼箱梁結(jié)構(gòu)的整體性好，在跨中與支點(diǎn)的正、負(fù)彎矩能力幾乎相等，能節(jié)省張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的煩瑣步驟，施工工序也得到了極大的簡(jiǎn)化，并且鋼箱梁截面為閉口空心形式，環(huán)狀結(jié)構(gòu)有著很好的抗彎、抗扭能力，當(dāng)材料量一定時(shí)，箱型結(jié)構(gòu)可以比其他的截面形式的抗彎、抗扭剛度更大，因此曲線鋼箱梁橋在城市立交系統(tǒng)中發(fā)揮著極為重要的作用。中外眾多學(xué)者對(duì)曲線連續(xù)梁橋進(jìn)行了研究。Hu 等［1］、Tryland 等進(jìn)行了鋼箱梁的試驗(yàn)研究及有限元分析，研究表明鋼箱梁極限承載力的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與有限元數(shù)值結(jié)果之間的誤差較小。陳海濱［3］利用梁格法對(duì)異形鋼箱梁橋進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。陳博［4］對(duì)異形混凝土鋼箱梁進(jìn)行了靜力性能研究。盧群［5］運(yùn)用有限元計(jì)算軟件建立了箱橋梁的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型，計(jì)算了橋梁的設(shè)計(jì)承載力。羅國(guó)慶［6］對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋靜動(dòng)載效應(yīng)計(jì)算進(jìn)行了計(jì)算研究。姚亞東等［7］、羅鴻等［8］對(duì)大跨度箱梁橋進(jìn)行了有限元及試驗(yàn)研究，得出在計(jì)算荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低的結(jié)論。李青等［9］對(duì)組合箱梁橋承載能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出橋梁的極限承載力。劉斌［10］分析了曲線鋼箱連續(xù)梁橋極限承載能力，得出該結(jié)構(gòu)承載能力高等的特點(diǎn)。本文依托實(shí)際工程，對(duì)連續(xù)曲線鋼箱梁橋進(jìn)行靜荷載與動(dòng)荷載試驗(yàn)的試驗(yàn)概況、試驗(yàn)檢測(cè)過程和結(jié)果進(jìn)行介紹，基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行受力狀態(tài)分析，結(jié)合有限元理論進(jìn)行承載力及變形計(jì)算分析，得出連續(xù)曲線鋼箱梁橋的承載力及變形，以期為今后此橋梁建設(shè)提供有效的理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

依托吉林省某快速路系統(tǒng)工程中變截面連續(xù)鋼箱梁橋進(jìn)行研究。橋梁全長(zhǎng)210 m，跨徑為65+80+65 m，橋?qū)?5 m，雙向六車道。邊支點(diǎn)梁高3 m，中支點(diǎn)梁高5 m。雙柱式花瓶墩，摩擦樁基礎(chǔ)。橫斷布置：0.5 m（橋側(cè)護(hù)欄）+11.75 m（車行道）+0.5 m（中央護(hù)欄）+11.75 m（車行道）+0.5 m（橋側(cè)護(hù)欄）=25 m，橋面雙向1.5%橫坡，荷載等級(jí)為公路I 級(jí)，鋼材等級(jí)為Q345qE。

2 有限元模型

有限元模型如圖1所示，共2 056個(gè)節(jié)點(diǎn)和3 660 個(gè)單元。

圖1 MIDAS 全橋模型

3 靜力荷載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

靜力荷載試驗(yàn)主要包括以下兩方面：1）主梁正彎矩控制截面應(yīng)變及撓度檢測(cè)。2）支點(diǎn)負(fù)彎矩控制截面應(yīng)變檢測(cè)。

3.2 試驗(yàn)工況

加載車輛為40 t，分級(jí)加載，分為5 種工況，見表1。數(shù)據(jù)只給出有代表性的前3 種進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 靜力荷載試驗(yàn)工況

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

連續(xù)曲線鋼箱梁各截面的位移測(cè)試點(diǎn)為每跨支點(diǎn)、四分點(diǎn)和跨中處，應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)為跨中和兩個(gè)中支點(diǎn)的位置，具體位置如圖2 所示。

圖2 連續(xù)箱梁主橋位移和應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)布置

采用型號(hào)為JMZX-212 振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量，采用數(shù)顯百分表測(cè)量撓度。試驗(yàn)前和試驗(yàn)過程中需要對(duì)每個(gè)觀測(cè)截面的部位裂縫情況通過裂縫測(cè)寬儀觀測(cè)其寬度及變化。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 靜載試驗(yàn)荷載效率測(cè)試結(jié)果

3.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 撓度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，在所劃分的三至四級(jí)劃分中，均為最后一級(jí)結(jié)果的荷載效率最大。因此這里只列出在最后一級(jí)荷載作用下不同工況的試驗(yàn)結(jié)果，分別見表3～表5，計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖3 所示。

表3 工況1 各測(cè)點(diǎn)豎向位移（撓度）計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表5 工況3 各測(cè)點(diǎn)豎向位移（撓度）計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表4 工況2 各測(cè)點(diǎn)豎向位移（撓度）計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

各測(cè)點(diǎn)在卸除荷載后，其最大相對(duì)殘余變形量為8%，橋梁檢測(cè)規(guī)范所規(guī)定的極限值為20%，該橋沒有超過這一限定，其現(xiàn)階段工作狀態(tài)可近似認(rèn)定為彈性工作，并且圖3 表現(xiàn)出荷載與其作用下所產(chǎn)生的撓度具有很好的相關(guān)性，從表3～表5 可以查得撓度的校驗(yàn)系數(shù)最大為0.95。試驗(yàn)荷載作用下的測(cè)試結(jié)果均小于理論計(jì)算結(jié)果，也說明該橋的豎向剛度滿足使用要求。

圖3 各工況條件下測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

3.4.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

同撓度測(cè)試結(jié)果相同，只列出在最后一級(jí)荷載作用下不同工況的試驗(yàn)結(jié)果，分別見表6～表8。表中第1 跨、第2 跨和第3 跨分別代表N13～N14 跨、N14～N15 跨和N15～N16 跨，中支點(diǎn)1、中支點(diǎn)2 則代表N14 號(hào)墩、N15 號(hào)墩處支點(diǎn)。

表6 工況1 各測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)變計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表7 工況2 各測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)變計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表8 工況3 各測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)變計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過分析各點(diǎn)應(yīng)變的理論和實(shí)測(cè)值，能夠計(jì)算各點(diǎn)的殘余應(yīng)變量，卸載后的最大殘余應(yīng)變相對(duì)量為13%，滿足規(guī)范要求，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.88，證明該橋在發(fā)生形變后恢復(fù)原始形狀的能力較強(qiáng)。

經(jīng)過5 個(gè)工況的車輛荷載計(jì)算后，對(duì)橋梁的內(nèi)力、應(yīng)力和位移的實(shí)際測(cè)量與理論結(jié)果對(duì)比分析可知：

1）施加公路I級(jí)荷載后，最大正彎矩為6.522 7×103 kN·m，位于第3 跨跨中位置，第1 跨為曲線鋼箱梁，受曲率半徑和材料屬性的影響，其最大正彎矩稍小于第3跨的最大正彎矩，而最大負(fù)彎矩為8.267 2×103 kN·m，位于N15 號(hào)墩支座處。

2）從N14 號(hào)墩和N15 號(hào)墩的剪力影響線可以得出第1 跨能引起最大正彎矩的影響線范圍要遠(yuǎn)大于第3 跨。

3）在各種靜力工況下，鋼箱梁的最大正應(yīng)力為29.02 MPa，最小正應(yīng)力為-13.61 MPa，均未超過設(shè)計(jì)值，最大應(yīng)力的變化規(guī)律與彎矩的變化規(guī)律大致是一致的；鋼箱梁的最大剪應(yīng)力為9.12 MPa，最小剪應(yīng)力為-9.93 MPa；在各種靜力工況下，鋼箱梁的撓度最大值為22.90 mm。

4）經(jīng)過靜力荷載試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)的分析，不同工況下的撓度和應(yīng)變的實(shí)測(cè)值、理論值所計(jì)算的校驗(yàn)系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定的限值，表明橋梁的豎向承載能力滿足使用的要求，并且撓度也小于L/600 的要求。相對(duì)殘余應(yīng)變和變形量小于20%，也表明鋼箱梁比預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁恢復(fù)能力更佳。

4 動(dòng)力荷載試驗(yàn)

4.1 動(dòng)力試驗(yàn)實(shí)施方案

本次試驗(yàn)主要測(cè)定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，包括結(jié)構(gòu)自振頻率的測(cè)定及結(jié)構(gòu)自振阻尼比的測(cè)定，在橋面無任何外界振源激勵(lì)的前提下，通過動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)定因隨機(jī)荷載激振引起橋梁結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)的響應(yīng)，測(cè)得橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型等動(dòng)力學(xué)特征。結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算結(jié)果見表9；主橋結(jié)構(gòu)前兩階振型如圖4 所示。

表9 橋梁自振頻率

圖4 結(jié)構(gòu)前兩階振型

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)測(cè)頻率及阻尼比見表10。

表10 模態(tài)試驗(yàn)分析結(jié)果

通過對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋進(jìn)行環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)以后，采用模態(tài)分析方法，通過加速度信號(hào)的處理生成頻響函數(shù)，從加速度響應(yīng)力學(xué)指標(biāo)中分析出橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性基本參數(shù)。模態(tài)計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)試值的比較見表11。根據(jù)實(shí)測(cè)動(dòng)力參數(shù)，對(duì)橋梁的動(dòng)力使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表11 模態(tài)計(jì)算與試驗(yàn)值比較

頻率測(cè)試結(jié)果表明，橋跨檢測(cè)動(dòng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。阻尼比實(shí)測(cè)結(jié)果表明，橋跨檢測(cè)整體工作性能較好，具有一定的耗能能力。

綜上，橋跨檢測(cè)的動(dòng)力使用性能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過對(duì)連續(xù)鋼箱梁橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)及計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)連續(xù)鋼箱梁的靜力計(jì)算及測(cè)試數(shù)據(jù)，曲線梁段的最大彎矩值小于直梁段，剪力影響線范圍大于直梁段。

2）連續(xù)鋼箱梁的靜力理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值符合較好，各項(xiàng)指標(biāo)均在規(guī)范限值容許范圍之內(nèi)，且鋼箱梁變形恢復(fù)能力比預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁更佳。

3）動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼箱梁橋跨動(dòng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求，具有一定的耗能能力，橋跨檢測(cè)的動(dòng)力使用性能滿足設(shè)計(jì)要求。