基于荷載試驗的多跨鋼便橋結(jié)構(gòu)安全性能分析

王成

昆山市交通科技研究中心有限公司 江蘇昆山 215300

因鋼便橋施工周期短，可靠性高，可重復(fù)性利用等特點(diǎn)在公路建設(shè)中作為首選保通方案采用。但由于施工誤差、制造誤差、重復(fù)利用、磨損等原因造成鋼便橋連接部分存在聯(lián)系不夠緊密、橋梁局部受力明顯、橋面的振動感覺明顯及鋼粱易銹蝕等問題較為突出，因此為了保證鋼便橋運(yùn)營安全，進(jìn)行安全評估性十分必要，橋梁荷載試驗是檢驗鋼便橋安全的有效直接手段[1-2]。

1 工程概況

某鋼便橋橋設(shè)計總長度24m，設(shè)計跨徑（5.5+8+5+5.5）m。兩端通過鋼板搭板形式與路基相連，中間支撐采用擴(kuò)大基礎(chǔ)+鋼管立柱形式，單排采用6 根φ630x8mm 鋼管樁基礎(chǔ)，兩端采用條形基礎(chǔ)作為鋼便橋支撐。

鋼管樁頂橫向布置雙拼HM588 型鋼作為主橫梁，主橫梁頂縱向布置321 軍用貝雷桁，貝雷桁頂橫向分配梁采用工25a，間距為750mm，縱向分配梁采用工12.6，間距300mm 布置，面板采用10mm 花紋鋼板。鋼便橋縱橫坡采取與路基相同坡度。設(shè)計荷載為公路—Ⅰ級。為檢驗鋼便橋的實際承載能力是否滿足設(shè)計荷載的要求，對鋼便橋進(jìn)行了橋梁荷載試驗工作[5]。

2 有限元分析及測點(diǎn)布置

采用MidasCivil 對全橋進(jìn)行建模，上弦桿、下弦桿、斜桿、豎桿采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬；銷栓采用釋放繞梁單元截面y-y 軸的旋轉(zhuǎn)自由度模擬，鋼管立柱底部按一般支撐約束模擬，主橫梁與鋼立柱間按固結(jié)約束模擬，貝雷梁與主橫梁及上部工25a、工12.6 分配梁間連接按彈性連接約束模擬。有限元離散模型見圖1 所示。通過內(nèi)力分析確定對8m 跨徑的橋跨軸力最不利位置的下弦桿應(yīng)變及撓度測試。測試截面儀器布置在8m 跨徑橋跨跨中處下弦桿下緣，其中邊梁底各布置2 個應(yīng)變和撓度測點(diǎn)，中梁底各布置1 個應(yīng)變和撓度測點(diǎn)。

圖1 有限元模型圖

3 試驗情況介紹

本次鋼便橋靜載試驗選用45t 三軸載重汽車進(jìn)行加載，加載的控制荷載等級依照公路—Ⅰ級荷載效應(yīng)確定，據(jù)等效加載的原則布載，共需載重汽車共3 輛，通過試驗跨下弦桿的軸力影響線計算試驗荷載，各測試項目下靜力試驗荷載效率見表1 荷載效率滿足規(guī)范對靜力試驗荷載效率在0.95-1.05 之間的規(guī)定要求。試驗正式加載前進(jìn)行了15min 預(yù)壓試驗和測試系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，試驗過程中進(jìn)行了三級加載，整個試驗過程未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

因現(xiàn)場條件不具備跑車條件，為了獲得實際結(jié)構(gòu)的基頻，在8m 跨徑橋跨L/4 處布置傳感器全部為豎向放置，采用環(huán)境激勵法采集數(shù)據(jù)。獲得測點(diǎn)信號的頻譜圖后，用傳遞函數(shù)法對選擇的頻率峰值進(jìn)行參數(shù)識別。

表1 試驗跨及測試截面各測試工況下的荷載效率

4 試驗測試結(jié)果及分析

4.1 靜載數(shù)據(jù)分析

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/TJ21-01-2015）、《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）中的相關(guān)規(guī)定，截面撓度值（或應(yīng)變值）為測試彈性變形值（或應(yīng)變值），即總撓度（或總應(yīng)變）減去殘余撓度（或殘余應(yīng)變），同時對支點(diǎn)沉降和溫度影試驗結(jié)果表明：8.0m 跨徑軸力最不利位置正、偏載工況下各測點(diǎn)撓度校驗系數(shù)在0.50-0.95 之間，校驗系數(shù)均小于1，各測點(diǎn)最大相對殘余比為8.56%，小于20%。該橋?qū)崪y撓度校驗系數(shù)在鋼橋撓度校驗系數(shù)0.75-1.00 常值范圍內(nèi)。實測最大撓度值為-5.001mm，未超過規(guī)范L/600 即20.000mm 的限值規(guī)定。8.0m 跨徑軸力最不利位置正、偏載工況下各測點(diǎn)應(yīng)變校驗系數(shù)在0.51-0.96 之間，校驗系數(shù)均小于1，各測點(diǎn)最大相對殘余比為13.43%，小于20%。該橋?qū)崪y應(yīng)變校驗系數(shù)在鋼橋應(yīng)變校驗系數(shù)0.75-1.00 常值范圍內(nèi)[3-4]。

4.2 固有頻率分析

采用環(huán)境激勵法采集得到鋼便橋測點(diǎn)時域圖如圖2，頻譜圖如圖3 所示。獲得測點(diǎn)信號的頻譜圖后，用傳遞函數(shù)法對選擇的頻率峰值進(jìn)行參數(shù)識別，可以求得鋼便橋結(jié)構(gòu)的自振頻率為10.742Hz。

圖2 鋼便橋豎向傳感器信號時域圖

圖3 鋼便橋豎向傳感器信號頻譜圖

經(jīng)有限元分析鋼便橋理論計算固有頻率值為9.413Hz，實測固有頻率為10.742Hz，實測值大于理論計算值，說明該橋梁結(jié)構(gòu)的實際剛度大于理論剛度。

5 結(jié)語

（1）本次荷載試驗各工況的荷載效率qη 值滿足0.85 ≤qη≤1.05，滿足靜荷載試驗要求；

（2）各工況荷載作用下，主要測點(diǎn)的撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)均小于1，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）和《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/TJ21-01-2015）的相關(guān)規(guī)定，橋梁的實際狀況好于理論狀況；

（3）各工況荷載作用下，部分測點(diǎn)的撓度和應(yīng)變相對殘余較大，但均在20%以內(nèi)，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）和《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/TJ21-01-2015）的相關(guān)規(guī)定，該橋處于彈性工作狀況；

（4）鋼便橋理論計算固有頻率值為9.413Hz，實測固有頻率為10.742Hz，實測值大于理論計算值，說明該橋梁結(jié)構(gòu)的實際剛度大于理論剛度。

（5）當(dāng)前該橋承載能力滿足設(shè)計荷載公路—Ⅰ級正常使用要求。