馬芹綱，黃 亮，李 闖，宋 軍

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200082）

0 引 言

目前，鋼板組合梁橋是中小跨徑橋梁常采用的型式之一。該種橋梁結(jié)構(gòu)形式充分發(fā)揮了鋼板和混凝土兩種結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)領(lǐng)域中[1-2]。由于其容易形成標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化的產(chǎn)品，可在提高結(jié)構(gòu)建設(shè)效率的同時(shí)保證質(zhì)量，具有工業(yè)化建造的廣泛應(yīng)用前景。

在鋼板組合梁的靜力性能研究方面，劉勁等[3]通過(guò)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬對(duì)鋼板組合梁負(fù)向抗彎剛度的影響參數(shù)進(jìn)行了探討，結(jié)果顯示剪力連接強(qiáng)度對(duì)其的影響最大，縱筋率次之。Zhang 等[4]在考慮層間滑移的情況下，研究了鋼板組合梁的受彎性能，通過(guò)建立的力學(xué)模型預(yù)測(cè)不同荷載下的層間滑移與撓度變形，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模型中是否考慮層間滑移效應(yīng)對(duì)組合梁的撓度變形影響極大。同時(shí)，冀偉等[5]對(duì)鋼板組合梁的撓度計(jì)算進(jìn)行了研究，其中考慮了層間滑移和剪切變形，分析發(fā)現(xiàn)，層間滑移會(huì)增大梁體撓度，降低鋼板組合梁剛度，最后得出需要考慮層間滑移效應(yīng)的連接件抗剪剛度閾值。Yan 等[6]考慮幾何與材料非線性，以及組合梁各部件之間的接觸關(guān)系，建立了鋼板組合梁三維有限元模型，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性，包括抗力、變形行為和失效模式。在鋼板組合梁橋的動(dòng)力性能方面，侯忠明等[7]發(fā)現(xiàn)剪力連接件的滑移對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有重大影響，并基于此建立了車橋動(dòng)力相互作用的分析模型。

然而，目前鋼板組合梁橋的鋼梁均采用焊接施工工藝，腹板加勁肋較多，焊縫數(shù)量較多，本身存在質(zhì)量死角及質(zhì)量隱患。且各個(gè)地區(qū)鋼板梁型號(hào)多樣，難以產(chǎn)品化，不利于鋼板組合梁橋的推廣應(yīng)用。因此，中小跨徑鋼板組合梁橋的推廣和應(yīng)用過(guò)程中急需進(jìn)一步優(yōu)化其構(gòu)造，保證焊接質(zhì)量，提高施工效率，提高結(jié)構(gòu)耐久性等。

由于型鋼一體成型可以消除焊接問(wèn)題，是一種可替代焊接鋼板的成熟產(chǎn)品。相較于傳統(tǒng)鋼板組合梁結(jié)構(gòu)，型鋼結(jié)構(gòu)便于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和施工，具有結(jié)構(gòu)自重輕、舒適性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者將H 型鋼組合梁應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)工程中。研究?jī)?nèi)容主要集中在大規(guī)格熱軋H 型鋼組合梁合理結(jié)構(gòu)形式，大規(guī)格熱軋H 型鋼合理斷面、材料，以及配套的裝配式橋墩設(shè)計(jì)方案等。例如，楊勇等[8-10]對(duì)裝配式型鋼混凝土梁的受彎、受剪等性能進(jìn)行了一系列研究，探討分析了其承載能力、破壞機(jī)理、破壞形態(tài)。然而，對(duì)于H 型鋼在鋼板組合梁橋合理跨徑的設(shè)計(jì)應(yīng)用當(dāng)中，尚未形成明確的理論體系，無(wú)法為實(shí)際工程提供參考。

本文根據(jù)所調(diào)研的H 型鋼產(chǎn)品型號(hào)，以每平方米用鋼量與控制應(yīng)力為指標(biāo)，對(duì)各型號(hào)下的合理跨徑與梁片數(shù)進(jìn)行理論研究。同時(shí)依托紅十五線保通便道工程，對(duì)HN900×300 型鋼組合梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)，明確結(jié)構(gòu)在施工與正常使用階段的撓度與應(yīng)力變化情況，檢驗(yàn)數(shù)值模型的可靠性。

1 工程背景

杭紹甬高速公路杭州至紹興段工程紅十五線保通便道工程中，某型鋼混凝土組合梁便道橋的主梁結(jié)構(gòu)為3×16 m 跨徑，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支、橋面連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。其中，鋼主梁采用HN900×300 型鋼，單跨橫向布置7 片；橫梁采用HN450×200 型鋼，分別設(shè)置在端部和跨中位置處[見(jiàn)圖1（a）]；各橋跨內(nèi)分別在主梁端部設(shè)置2 道加勁肋，跨中設(shè)置1 道加勁肋，全橋共計(jì)5 道加勁肋[見(jiàn)圖1（b）]。

2 熱軋H 型鋼組合梁合理跨徑

2.1 參數(shù)設(shè)置

經(jīng)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)大部分H 型鋼生產(chǎn)廠家均能生產(chǎn)高度700 mm 以下的H 型鋼，僅有少數(shù)鋼鐵廠可以生產(chǎn)700 mm 以上的大型H 型鋼。為明確大型H 型鋼的適用情況并對(duì)實(shí)際H 型鋼組合梁的應(yīng)用提供理論依據(jù)，共選取5 個(gè)典型截面進(jìn)行型鋼組合梁不同梁高對(duì)應(yīng)合理跨徑的研究，其中各截面頂?shù)装宓群?，截面尺寸?jiàn)表1，各型號(hào)H 型鋼斷面如圖2所示。

表1 H 型鋼截面尺寸及基本參數(shù) 單位：mm

圖2 各型號(hào)H 型鋼截面圖（單位：mm）

以H 型鋼主梁在基本組合下的最大應(yīng)力及每平方米用鋼量作為控制指標(biāo)（控制應(yīng)力245 MPa，用鋼量指標(biāo)≤240 kg/m2），并由《熱軋H 型鋼和剖分T 型鋼》（GB/T 11263—2017）[11]可知各型號(hào)H 型鋼每延米的理論重量，從而大致得出不同高度H 型鋼橫向主梁布置的最大片數(shù)，其中以12.5 m 橋?qū)挒槔瑓?shù)見(jiàn)表2。從表2 計(jì)算的主梁橫向數(shù)量最大值可發(fā)現(xiàn)，隨著梁高的增加，主梁橫向數(shù)量也相應(yīng)減少。

表2 不同梁高對(duì)應(yīng)的橫向主梁參數(shù)

2.2 有限元模型建立

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas Civil 進(jìn)行合理跨徑數(shù)值分析計(jì)算，其中主梁與橋面板均采用梁?jiǎn)卧M，橋面板與鋼主梁之間的剪力鍵采用彈性連接模擬。結(jié)構(gòu)自重包括Q345qD 鋼主梁78.5 kN/m3、25 cm 厚C50 混凝土橋面板26 kN/m3；二期恒載包括鋼護(hù)欄，單側(cè)重量按5.5 kN/m，以及10 cm 厚瀝青鋪裝；基礎(chǔ)變位按照0.5 cm 考慮；汽車荷載采用公路-Ⅰ級(jí)荷載，車道布置寬度3.1 m，車輪間距1.8 m，車道按照最不利情況布置。模型邊界分簡(jiǎn)支與連續(xù)兩種情況比較分析，有限元模型如圖3、圖4 所示。

圖3 全橋模型示意圖

圖4 連續(xù)梁模型邊界設(shè)置示意圖

2.3 數(shù)值分析結(jié)果與討論

根據(jù)有限元計(jì)算及控制應(yīng)力指標(biāo)，可得到不同梁高H 型鋼組合梁對(duì)應(yīng)可行跨徑的最大值（見(jiàn)表3）。

由表3 可知，不同H 型鋼型號(hào)之間，梁高增大，實(shí)際用鋼量卻減少，且跨徑最大值相應(yīng)提升，其中簡(jiǎn)支形式的跨徑最大值要小于三跨連續(xù)的計(jì)算跨徑值。同時(shí)，梁高較大的簡(jiǎn)支形式所計(jì)算的基本組合應(yīng)力最大值都相對(duì)較高。其中不同的是，梁高為800 mm的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比梁高700 mm 的小3.7 MPa。三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)形式中，梁高為700 mm 的應(yīng)力值最小。

表3 不同梁高對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為分析論證實(shí)際H 型鋼組合梁的工作性能，針對(duì)依托工程紅十五線保通便道第一孔開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)施工階段應(yīng)力、加載測(cè)試階段的變形和應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)際結(jié)構(gòu)參考上述合理跨徑的理論分析結(jié)果，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支、橋面連續(xù)方式，單跨跨徑16 m，共設(shè)置六孔，橋?qū)?0.4 m。為平衡實(shí)際用鋼量與最大應(yīng)力，以及生產(chǎn)運(yùn)輸便利性，鋼主梁采用HN900×300 型鋼。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的跨徑與橋?qū)挾枷鄳?yīng)減少，故按照合理跨徑參考值，主梁片數(shù)作出對(duì)應(yīng)調(diào)整，橫向布置為7 片，現(xiàn)場(chǎng)施工如圖5 所示。

圖5 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工

3.2 試驗(yàn)方案

由于型鋼組合梁受力相對(duì)較為明確，本次試驗(yàn)主要對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)計(jì)算方法的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2.1 測(cè)點(diǎn)布置

（1）變形測(cè)點(diǎn)

由于靜載試驗(yàn)時(shí)間較短，墩臺(tái)沉降有限，在跨中梁底布置測(cè)點(diǎn)測(cè)試最大變形。主要采用全站儀通過(guò)測(cè)量標(biāo)高反推變形，橫向上每片梁梁底均布置測(cè)點(diǎn)，共布置7 個(gè)變形測(cè)點(diǎn)（W1～W7）。

（2）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

關(guān)注受力最大的邊梁和次邊梁，對(duì)跨中應(yīng)力進(jìn)行檢驗(yàn)，粘貼在跨中斷面頂板、腹板、底板上，沿縱向粘貼。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖6 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置

3.2.2 加載方案

基于靜力計(jì)算，確定加載車型和位置，由于實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)環(huán)境、加載方式等因素，需按照實(shí)際情況對(duì)其內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過(guò)前期的理論計(jì)算確定合理加載效率，防止出現(xiàn)不能反映出橋梁在設(shè)計(jì)荷載下的工作性能和結(jié)構(gòu)局部損壞的情況。實(shí)際荷載試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)效率系數(shù)控制在0.85 ～1.05 之間。

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）[12]建議的靜力試驗(yàn)荷載效率，結(jié)合主要控制斷面的設(shè)計(jì)彎矩值選用汽車-20 級(jí)的重車，如圖7 所示。經(jīng)計(jì)算共需2 輛重車，此類車輛的軸距和軸重見(jiàn)表4。

圖7 重車形式

表4 現(xiàn)場(chǎng)加載車實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)車輛需注意前后裝貨均勻，不得堆載?；诤奢d效應(yīng)等效原則進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，所對(duì)應(yīng)工況采用，加載形式如圖8 所示。

圖8 型鋼組合梁最大彎矩偏心布載示意圖（單位：m）

同時(shí)按照?qǐng)D8 所示的荷載位置對(duì)相應(yīng)有限元模型施加荷載，可得試驗(yàn)荷載作用下上部結(jié)構(gòu)彎矩與變形理論值。在試驗(yàn)荷載最大正彎矩加載作用下，邊梁與次邊梁跨中最大彎矩分別為325.7 kN·m、272.5 kN·m，最大豎向位移分別為1.2 cm、1.0 cm。

3.2.3 測(cè)試方法

對(duì)型鋼組合梁的測(cè)試內(nèi)容主要包括撓度與應(yīng)變兩部分。測(cè)試最不利偏載工況下的橋梁變形，對(duì)橋梁體系剛度、荷載橫向分布特性進(jìn)行檢驗(yàn)。測(cè)試型鋼應(yīng)力隨工況步的累計(jì)情況，最不利偏載工況下的型鋼應(yīng)力，對(duì)型鋼安全性進(jìn)行檢驗(yàn)。具體測(cè)試方法如下。

（1）變形測(cè)試

采用全站儀進(jìn)行線形監(jiān)測(cè)，獲取不同工況下各節(jié)段控制測(cè)點(diǎn)的相對(duì)標(biāo)高。選擇溫度變化小、氣溫穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量，以消除日照溫差引起的梁體的不規(guī)則變化。

（2）應(yīng)變測(cè)試

為保證應(yīng)變測(cè)試的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、足夠測(cè)量精度，選用振弦式表面式應(yīng)變計(jì)及其對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)儀，對(duì)型鋼主梁進(jìn)行長(zhǎng)期施工過(guò)程觀測(cè)。

3.2.4 測(cè)試工況

本現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要分為施工與加載兩個(gè)階段。第一測(cè)試階段需保證在施工時(shí)不會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力，防止對(duì)后續(xù)測(cè)試造成干擾。第二測(cè)試階段用于明確正常適用狀態(tài)下型鋼組合梁的撓度和應(yīng)力狀態(tài)情況。

（1）施工階段

施工階段主要測(cè)試應(yīng)變，具體測(cè)試工況包括：鋼梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)、鋼梁架設(shè)施工和成橋工況。

（2）加載過(guò)程

加載過(guò)程中測(cè)試變形與應(yīng)變，具體測(cè)試工況包括：預(yù)加載、卸載、1 號(hào)車加載、2 號(hào)車加載、2 號(hào)車卸載和1 號(hào)車卸載。

3.2.5 試驗(yàn)及加載過(guò)程

待鋼梁進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行應(yīng)變傳感器的焊接，然后對(duì)鋼梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝施工，如圖9 所示。

圖9 應(yīng)變傳感器與鋼梁安裝

在鋼梁與橋面體系安裝完成后，采用兩輛重車分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載與卸載，如圖10 所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 施工階段測(cè)試結(jié)果

施工階段測(cè)試結(jié)果如圖11 所示，從整體來(lái)看，鋼梁應(yīng)力理論值與測(cè)試值較為接近，校驗(yàn)系數(shù)在0.85～1.15 之間。在鋼梁吊裝時(shí)其應(yīng)力值較小，在10 MPa以內(nèi)，與理論符合程度較好。二期鋪裝后的應(yīng)力值較大，邊梁的范圍在40 MPa 左右，次邊梁的則在60 MPa左右。鋼梁下翼緣應(yīng)力偏差較大，邊梁與次邊梁的測(cè)試值與理論值相差分別為6.8 MPa、8.6 MPa，可能受測(cè)試誤差影響，整體偏差較小。

圖11 施工階段測(cè)試應(yīng)力對(duì)比

4.2 加載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

（1）位移測(cè)試結(jié)果分析

從加載過(guò)程變形可以看出，實(shí)測(cè)位移始終小于理論位移，結(jié)構(gòu)整體剛度大于理論計(jì)算值。并且與加載位置的距離越近，位移實(shí)測(cè)與理論相差越大，說(shuō)明空間桿系有限元模型中的橫向聯(lián)系與實(shí)際情況有一定偏差。當(dāng)只有1 號(hào)車加載時(shí)，跨中主梁最大變形有4 mm，與理論值相差2 mm；當(dāng)2 號(hào)車加載時(shí)，最大變形增加至8 mm 左右，與理論值相差4 mm，如圖12所示。

圖12 加載過(guò)程位移測(cè)試

從卸載過(guò)程變形可以看出，2 號(hào)車卸載后的實(shí)測(cè)位移小于理論位移，且跨中變形恢復(fù)至只有1 號(hào)車加載的情況。完全卸載后，結(jié)構(gòu)基本上恢復(fù)為零狀態(tài)，殘余變形在0.1～0.2 mm，結(jié)構(gòu)處于線彈性狀態(tài)，如圖13 所示。

圖13 卸載過(guò)程位移測(cè)試

（2）應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

從加載過(guò)程應(yīng)力測(cè)試可以看出，下翼緣應(yīng)力要比腹板和上翼緣應(yīng)力大，實(shí)測(cè)應(yīng)力始終小于理論值，且上翼緣理論值與實(shí)際值偏差較小，腹板與下翼緣偏差較大。并且在荷載增大后實(shí)測(cè)值與理論值的偏差也會(huì)相應(yīng)變大。

當(dāng)1 號(hào)車加載時(shí)，邊梁與次邊梁腹板應(yīng)力在10 MPa 左右，而下翼緣則有所不同，邊梁下翼緣應(yīng)力為34.1 MPa，次邊梁為24.8 MPa。2 號(hào)車加載后，邊梁與次邊梁腹板應(yīng)力增加至20 MPa，邊梁下翼緣應(yīng)力為50.2 MPa，次邊梁為45.7 MPa 左右，如圖14所示。

圖14 加載過(guò)程應(yīng)力測(cè)試

在2 號(hào)車卸載后，實(shí)測(cè)應(yīng)力恢復(fù)至1 號(hào)車加載的工況，但邊梁下翼緣應(yīng)力要比之前測(cè)得的數(shù)據(jù)小1.7 MPa。當(dāng)所有重車卸載后，邊梁下翼緣還存在較大的殘余應(yīng)力（2.2 MPa），次邊梁跨中各測(cè)點(diǎn)也出現(xiàn)殘余應(yīng)力負(fù)值，或由測(cè)試儀器誤差引起，如圖15 所示。

圖15 卸載過(guò)程應(yīng)力測(cè)試

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)不同型號(hào)H 型鋼組合梁的合理跨徑進(jìn)行了研究，依托實(shí)際工程對(duì)HN900×300 型鋼組合梁開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）不同型號(hào)熱軋H 型鋼橋梁適用跨徑為19～27 m，且同橋?qū)捛闆r下，H 型鋼梁高越大用鋼量越小。

（2）施工階段測(cè)試結(jié)果表明，鋼梁安裝時(shí)應(yīng)力較小，且實(shí)測(cè)值與理論值接近；二期鋪裝后的應(yīng)力增大，下翼緣實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論值偏差較大。

（3）重車加載過(guò)程中位移變形測(cè)量值均小于理論位移，橫向聯(lián)系剛度較大，且越靠近加載位置，實(shí)測(cè)位移與理論位移偏差越大。

（4）加載過(guò)程中，上翼緣應(yīng)力最小，腹板次之，下翼緣應(yīng)力最大。同樣，越靠近下翼緣，實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值偏差越大，這說(shuō)明桿系有限元模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定偏差。

（5）在卸載過(guò)程中，主梁位移變形與應(yīng)力都能很好地恢復(fù)到加載之前的數(shù)值范圍，表明本試驗(yàn)型鋼主梁梁橋的結(jié)構(gòu)仍處于線彈性階段，其整體受力性能良好。