環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)人行天橋承載力試驗(yàn)與分析

田亞洪，譚曉晶，楊成標(biāo)

（1.昆明市公路工程質(zhì)量檢測中心有限公司，云南 昆明 650110；2.云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223）

0 引言

近年來，鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形天橋被廣泛應(yīng)用于城市各道路交叉口。城市人行天橋相比其結(jié)構(gòu)形式的橋梁對外觀要求較高，鋼結(jié)構(gòu)橋梁憑借其外觀輕盈、結(jié)構(gòu)造型豐富，施工時(shí)占用周邊場地設(shè)施較少，安裝制造工期短、時(shí)效快；另鋼結(jié)構(gòu)橋自重輕、構(gòu)件斷面小，經(jīng)濟(jì)使用效益高，因此被廣泛使用于城市人行天橋建設(shè)中，且留有較大安全儲(chǔ)備[1-3]。對于環(huán)形天橋的承載能力研究，文獻(xiàn)詳細(xì)分析并介紹了環(huán)形鋼構(gòu)橋的振動(dòng)特性，并結(jié)合靜載試驗(yàn)對橋梁承載力作出判斷[4]。有學(xué)者通過對環(huán)形天橋鋼支座內(nèi)力監(jiān)測與調(diào)整，調(diào)整支座高度來使得支座反力趨于均勻合理，提升梁體結(jié)構(gòu)安全性[5]。鄭洪濤等人[6]對環(huán)形天橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)，進(jìn)行承載力驗(yàn)算和確定結(jié)構(gòu)最不利荷載應(yīng)出現(xiàn)的加載方式。

本文則主要通過荷載試驗(yàn)，評估環(huán)形天橋的承載能力和工作狀態(tài)，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)及有關(guān)規(guī)范的要求，以便為該橋的運(yùn)營管養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概述

人行天橋采用中間帶圓盤的十字形鋼架結(jié)構(gòu)形式（圖1所示），圓盤軸線長20m，十字鋼架每條邊長44.8m，并設(shè)置四條鋼箱梁引道跨過下面的慢行車道。每條引道并列設(shè)有自行車梯道和人行梯道，寬度均為2.5m。該人行天橋主要技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)組成：

圖1 人行天橋立面照片

（1）設(shè)計(jì)荷載：按人群活載5KN/m2；（2）凈寬：天橋凈寬3.3m，自行車坡道凈寬2.3m，人行梯道凈寬2.3m；（3）橋下凈高：5.5m；（4）上部結(jié)構(gòu)：主橋跨部分為雙向門式鋼架，工廠加工組裝，現(xiàn)場吊裝，引道采用簡支鋼箱梁，梯道均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；（5）下部結(jié)構(gòu)：均采用混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，梯道均為單柱，柱的直徑均為50cm；（6）鋼梁橋面鋪裝：采用6cm厚的C30小石子混凝土鋪裝。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前為掌握鋼橋的整體受力情況，采用Midas civil軟件計(jì)算該橋在各種荷載工況下的空間受力及變形情況。橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。根據(jù)天橋步道承受的滿人荷載，試驗(yàn)荷載采用沙袋模擬均布堆載，計(jì)算得到試驗(yàn)等效均布荷載為16.5k N/m。

圖2 結(jié)構(gòu)分析模型

2.1 試驗(yàn)控制截面

根據(jù)試驗(yàn)橋梁的結(jié)構(gòu)形式、規(guī)模，結(jié)合施工現(xiàn)狀和現(xiàn)場條件，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定全截面箱梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)控制截面J1、J2、J3和J4。試驗(yàn)橋跨選定及控制截面位置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)控制截面

2.2 試驗(yàn)工況及荷載效率

根據(jù)規(guī)范，試驗(yàn)荷載效率須滿足：

式中：

η—靜力試驗(yàn)荷載效率系數(shù)；

Sstat—試驗(yàn)荷載作用下，檢測部位變位或力的計(jì)算值；

S—設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下，檢測部位變位或力的計(jì)算值（不計(jì)沖擊作用時(shí)）；

δ—設(shè)計(jì)取用的沖擊系數(shù)（1+μ）。

設(shè)計(jì)天橋荷載試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況及荷載效率

環(huán)形天橋荷載試驗(yàn)以撓度控制為主，采用三級加載，共計(jì)3種加載工況：

（1）引道步道加載100%滿人荷載；

（2）環(huán)形步道加載50%滿人荷載；

（3）環(huán)形步道加載100%滿人荷載。

各加載工況下的布載如圖4所示。

圖4 各加載工況布載

2.3 試驗(yàn)項(xiàng)目

（1）撓度測試。根據(jù)荷載試驗(yàn)現(xiàn)場條件，共設(shè)置撓度測點(diǎn)12個(gè)，撓度測點(diǎn)布置于橋面處，如圖5所示。

圖5 撓度測點(diǎn)

（2）應(yīng)變測試。天橋的每個(gè)試驗(yàn)控制截面均設(shè)置應(yīng)變測點(diǎn)，共計(jì)20個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)位置如圖6所示。

圖6 控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 撓度結(jié)果

撓度測試結(jié)果如圖7和表2所示。

表2 各測點(diǎn)實(shí)測撓度與計(jì)算值的比較

圖7 各實(shí)測點(diǎn)撓度及理論值對比曲線圖

說明：撓度向下為負(fù)。

在各試驗(yàn)加載工況下，天橋測試斷面撓度校驗(yàn)系數(shù)η在0.79～0.88之間，控制截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)小于1，說明該橋的剛度滿足要求；同時(shí)，試驗(yàn)的相對殘余變形為7.72%～10.35%，滿足鋼橋橋梁相對殘余變位不大于20%的要求，說明橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 應(yīng)力結(jié)果

試驗(yàn)荷載工況下各測試截面的應(yīng)力實(shí)測值與理論計(jì)算值、校驗(yàn)系數(shù)及相對殘余率如表3和圖8所示。表中應(yīng)力值符號以受壓為正、受拉為負(fù)。

圖8 應(yīng)力測試結(jié)果

表3 各測試截面應(yīng)力測試結(jié)果

說明：受壓為正、受拉為負(fù)。

在試驗(yàn)荷載各加載工況下，天橋控制斷面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)η在0.75～0.87之間，控制截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，說明天橋承載能力滿足要求；相對殘余應(yīng)力為3.70%～12.20%，滿足鋼橋相對殘余應(yīng)力不大于20%的要求，橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中處于彈性工作狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文通過對環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)天橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論：

（1）在試驗(yàn)荷載作用下，天橋試驗(yàn)控制截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)小于1，且相對殘余撓度小于20%，均滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的規(guī)定，具備一定的剛度儲(chǔ)備。（2）在試驗(yàn)荷載作用下，天橋試驗(yàn)控制截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)小于1，且相對殘余應(yīng)力小于20%，均滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的規(guī)定，具備一定的安全儲(chǔ)備。

綜上所述，天橋橋跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、鋼度滿足人群設(shè)計(jì)荷載（5k N/m2）要求。該試驗(yàn)為人行天橋運(yùn)營階段的管理和養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)依據(jù)，并對同類工程的設(shè)計(jì)、施工和檢測提供參考。