連續(xù)鋼箱梁橋成橋靜動力試驗分析

韓林

（濟南軌道交通集團有限公司，濟南205101）

連續(xù)鋼箱梁橋成橋靜動力試驗分析

韓林

（濟南軌道交通集團有限公司，濟南205101）

利用有限元軟件對一變截面連續(xù)鋼箱梁橋進行有限元分析，對該橋在試驗荷載作用下的應(yīng)變、撓度、自振頻率、沖擊系數(shù)等參數(shù)進行了研究。同時對連續(xù)鋼箱梁橋承載能力評定方法進行了詳細的介紹。經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果的對比分析可知，該橋結(jié)構(gòu)強度和剛度良好，抗沖擊性能滿足設(shè)計要求。另外，通過試驗分析掌握了橋梁在設(shè)計荷載作用下的實際工作狀態(tài)及動力特性，為以后橋梁運營管理提供科學(xué)依據(jù)。

橋梁工程；靜動載試驗；自振頻率；模態(tài)分析；沖擊系數(shù)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.030

1 背景

為了緩解日益增加的城市交通壓力，越來越多的快速路、高架橋開始建設(shè)。材料特點決定了鋼箱梁橋有如下不可比擬的優(yōu)勢：跨越障礙能力大、產(chǎn)業(yè)化程度高、分段施工周期短及截面減小而增加橋下凈空等。這些優(yōu)勢決定了連續(xù)鋼箱梁橋的應(yīng)用越來越普遍,并且連續(xù)鋼箱梁橋跨越的往往都是主干路、鐵路等重要設(shè)施，因此，該種橋型處于城市交通的咽喉地位。對其竣工后的承載能力研究及分析是全面了解和掌握其承載能力及施工質(zhì)量的重要手段。因此，成橋靜動載試驗研究對于連續(xù)鋼箱梁橋具有重要意義。

2 工程概況

該橋設(shè)計橋面寬12m，跨徑組合為(34.5+2×58+34.5)m。主梁采用變截面連續(xù)鋼箱梁，梁高在橋墩支點處為3.5m，跨中處為1.9m，橋臺支點處為1.6m。共設(shè)3個裝飾性索塔，塔高19m，該橋共設(shè)48根拉索，拉索在梁上錨固于梁側(cè)伸出的吊耳。橋梁跨徑布置如圖1，橫斷面如圖2所示。

圖1 橋梁立面圖（單位：m）

圖2 橋梁截面圖

3 有限元模型及試驗內(nèi)容

3.1 有限元模型

分析計算時，主梁采用空間梁單元，斜拉索采用桁架單元，邊界條件采用一般支承。有限元模型如圖3所示。

圖3 橋梁計算模型

3.2 試驗內(nèi)容

1）靜力試驗：根據(jù)該橋的受力特征，選取內(nèi)力控制截面進行靜力加載試驗，測試內(nèi)力控制截面的荷載響應(yīng)隨荷載變化情況。

2）動力試驗：通過脈動試驗測取橋梁結(jié)構(gòu)在自然激勵作用下的自振頻率、振型結(jié)果等。

4 靜載試驗分析

4.1 選擇控制截面

按照實橋資料，對該橋結(jié)構(gòu)進行了分析計算，并分別繪出結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下的內(nèi)力圖，由彎矩圖可確定橋跨結(jié)構(gòu)在活載作用下最不利彎矩的具體位置。如圖4、圖5所示。

圖4 彎矩包絡(luò)圖

圖5 靜載測試斷面布置

4.2 試驗荷載

為了保證試驗的有效性，各測試截面試驗荷載效率系數(shù)η至少應(yīng)達到0.95以上。加載車實際總重、軸重和軸間距，如表1所示。試驗加載重車車型如圖6所示。

表1 加載車輛列表

圖6 加載車輛

4.3 靜載試驗工況

1）靜載試驗工況和加載方法

與測試內(nèi)容對應(yīng)，共分為4種加載工況。使用有限元軟件繪出各測試截面的內(nèi)力影響線，如圖7所示。根據(jù)影響線及車道布置可確定各工況中汽車荷載加載的具體位置，如圖8所示。

圖7 彎矩影響線

圖8 靜載測試斷面圖（單位：m）

工況I：正彎矩最不利位置縱向3排車中載布置。

工況II：正彎矩最不利位置縱向3排車偏載布置。

工況III：負彎矩最不利位置縱向4排車中載布置。

工況IV：負彎矩最不利位置縱向4排車偏載布置。

4.4 靜載試驗結(jié)果分析

在試驗荷載作用下各個工況相應(yīng)測試截面應(yīng)變實測值與

計算值如表2所示。其中應(yīng)變以受拉為正，受壓為負。

表2 主梁應(yīng)力測試結(jié)果

在試驗荷載作用下各個工況相應(yīng)控制截面位移實測值與計算值如表3所示。位移向上為正，向下為負。

表3 主梁位移測試結(jié)果

根據(jù)實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析可知：本次荷載試驗應(yīng)變、位移校驗系數(shù)均小于1.00，應(yīng)變、位移相對殘余值均小于20%。表明該橋的實際強度、剛度好于理論值，滿足設(shè)計荷載的要求。另外，鋼箱梁橋剪力滯后效應(yīng)明顯，兩側(cè)靠近腹板處應(yīng)變值明顯大于頂?shù)装逯虚g處應(yīng)變值。

5 動力參數(shù)測定及分析

本次試驗采用環(huán)境激勵的方法測試該橋自振頻率及振型如圖9、圖10。

圖9 實測振動頻率

圖10 實測一、二階振型

實測主梁第一階振型為主梁反對稱豎彎，振動頻率為2.15Hz，理論值為1.99Hz；實測主梁第二階振型為主梁對稱豎彎，振動頻率為3.13Hz，理論值為2.69Hz。橋跨振動頻率實測值均高于理論值，表明結(jié)構(gòu)實際動剛度高于理論剛度，結(jié)構(gòu)狀況良好。

表4 實測與理論頻率振型分析對比

6 結(jié)語

1）試驗荷載作用下，應(yīng)變、位移校驗系數(shù)均小于1.00，應(yīng)變、位移相對殘余值均小于20%，結(jié)構(gòu)處于線彈性受力狀態(tài)，具有良好的強度和剛度。

2）在環(huán)境激勵作用下，實測一、二階振動頻率均高于理論振動頻率，結(jié)構(gòu)實際剛度高于理論剛度，結(jié)構(gòu)狀況良好。

3）實際計算結(jié)果表明，桿系計算模型在分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)連續(xù)鋼箱梁橋的靜動力特性方面基本上能夠滿足要求，但是對于薄壁結(jié)構(gòu)建議采用殼單元進行有限元分析。

【1】趙敏，王凡.斜拉橋承載力的評定方法[J].公路交通科技，2014，31（3）:65-69.

【2】胡大琳.橋涵工程試驗檢測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2000.

【3】JTG/TJ 21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

Static and Dynamic Load Test and Analysis of Continuous Steel Bridge

HANLin
(Jinan Rail Transit Group Limited Corporation，Jinan 250101，China)

In this paper,a continuous steel box girder bridge with variable cross-section is simulated by a finite element software.The parameters of strain,deflection,natural frequency,impact coefficient of the bridge under the test load are studied.The carrying capacity evaluation methods of continuous steel bridges are described in detail.According to the contrastive analysis of experimental data and theoretical results,the strength and stiffness of the bridge structure are very well,and the impact resistance of the bridge meets the design requirements.In addition,the actual working state and the dynamic characteristics of the bridge under the design load,which can provide scientificbasisforthebridgeoperationandmanagement,aremasteredwiththeexperimentalanalysis

bridgeengineering；staticanddynamic loadtest；naturalfrequency；modal analysis；impactcoefficient

U441

A

1007-9467（2016）07-0124-03

2016-01-22

韓林（1985～），男，山東濟南人，工程師，從事軌道交通研究，（電子信箱）kuashiji2008@126.com。