基于靜載試驗(yàn)鋼-混凝土組合箱梁斜拉橋力學(xué)特性分析

■陳彰發(fā)

（福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司，福州 350013）

鋼-混凝土組合箱梁通過保留受壓區(qū)的混凝土翼板，受拉區(qū)只有布置鋼梁，二者之間通過抗剪連接件組合成整體，這樣既不會(huì)產(chǎn)生混凝土受拉開裂的問題， 也不會(huì)因鋼梁受壓側(cè)剛度較弱而發(fā)生失穩(wěn)，同時(shí)還具備較高的剛度和較輕的自重。 鋼-混凝土組合箱梁因其具良好的抗扭性能， 在大跨徑的斜拉橋得到廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)學(xué)者已在鋼-混凝土組合梁橋理論與計(jì)算[1-2]、抗剪連接性能[3-4]等方面作了諸多工作。聶建國等[5]通過精細(xì)模型和桿系模型對(duì)比分析，證明兩者計(jì)算結(jié)果吻合良好，桿系模型具有良好的準(zhǔn)確度和適用性。 鑒于目前較缺乏針對(duì)鋼-混凝土組合箱梁斜拉橋整體結(jié)構(gòu)基本力學(xué)行為的試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 本研究從成橋荷載試驗(yàn)角度，對(duì)鋼-混凝土組合箱梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析， 為今后此類橋梁設(shè)計(jì)及進(jìn)行荷載試驗(yàn)提供參考。

1 橋梁概況

某跨海大橋主橋， 采用全封閉鋼-混凝土組合箱梁、 門型索塔斜拉橋結(jié)構(gòu)， 跨徑布置為147.5+296+147.5=591 m，邊中跨比為0.498∶1，塔的高跨比為0.456∶1。 主橋中跨位于R=16 000 m 的豎曲線范圍內(nèi)，與兩側(cè)邊跨順接（縱坡2.5%）。 采用三跨半漂浮體系，空間密索型布置；索塔與主梁間縱向設(shè)置粘滯限位阻尼約束裝置， 支座橫向約束并設(shè)鋼阻尼。 主梁：采用抗風(fēng)性能優(yōu)異的扁平流線形全封閉鋼疊合梁。 所采用的組合箱梁主要輪廓尺寸為：含封嘴全寬約37.5 m，不含封嘴頂板寬35 m，中心線處高度3.5 m（不含鋪裝）。 索塔塔柱：索塔采用門形，分為塔座、下塔柱、下橫梁、上塔柱和上橫梁等5 個(gè)部分。 設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)，行車道數(shù)：雙向六車道。 該橋主橋立面、平面簡圖見圖1。

圖1 主橋立面、平面圖

2 靜力加載試驗(yàn)

2.1 模型建立

采用midas Civil 對(duì)大橋進(jìn)行建模計(jì)算， 斜拉索采用桁架單元模擬，橫梁及塔、墩等構(gòu)件均采用梁單元模擬，主梁與拉索間的連接采用剛臂的方式實(shí)現(xiàn)[6]。 其中組合箱梁截面通過midas Civil 的SPC 計(jì)算將混凝土部分換算為鋼材部分[7]；拉索截面通過拉索的鋼絲數(shù)量和直徑， 面積等效為一個(gè)圓截面。樁基礎(chǔ)邊界條件采用Winker 地基梁模擬法（m 法）計(jì)算彈性支撐的水平剛度[8]。 設(shè)計(jì)活載采用公路-Ⅰ級(jí)，雙向八車道（根據(jù)橋面凈寬確定）進(jìn)行活載內(nèi)力計(jì)算。 根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)的活載內(nèi)力包絡(luò)圖和位移包絡(luò)圖， 確定結(jié)構(gòu)的最大彎矩截面和最大撓度截面（圖2～5）。

圖2 主橋主梁橫斷面圖

圖3 主橋立面及現(xiàn)場加載照片

圖4 有限元模型圖

2.2 測試截面確定

圖5 活載內(nèi)力包絡(luò)圖

根據(jù)模型活載內(nèi)力包絡(luò)圖確定最大正 （負(fù)）彎矩截面，從而確定應(yīng)變測試截面；通過變形包絡(luò)圖確定最大變形截面，從而確定變形測試截面；根據(jù)活載索力包絡(luò)圖確定最大索力拉索。 由于組合橋型的拉索作用，主梁最大正彎矩截面與最大撓度截面不一致，故撓度及應(yīng)變工況分開進(jìn)行。 應(yīng)變截面測試工況需進(jìn)行撓度測量進(jìn)行加載控制。 相應(yīng)測試截面位置見表1 及圖6 。

圖6 主橋立面、平面圖

2.3 測試工況

根據(jù)測試項(xiàng)目分為16 個(gè)小工況， 以主梁工況為主進(jìn)行工況合并為8 個(gè)大工況。 各工況荷載效率見表2。

表2 靜力加載試驗(yàn)計(jì)算值及荷載效率

2.4 測點(diǎn)布置

2.4.1 應(yīng)變測點(diǎn)布置

斜拉橋的應(yīng)變測試結(jié)果反映了橋梁在荷載作用下發(fā)生的內(nèi)力或應(yīng)力變化大小，也是橋梁靜載試驗(yàn)的主要測試數(shù)據(jù)之一。 斜拉橋共設(shè)置了120 個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。 其中91# 塔共12 個(gè)，主梁共108 個(gè)，詳見圖7～9。 本次混凝土構(gòu)件應(yīng)變采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測試， 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變采用應(yīng)變片測試。

圖7 應(yīng)變測試截面布置圖

圖8 B、C、E 主梁截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

圖9 H 塔截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

2.4.2 變形測點(diǎn)布置

斜拉橋的變形觀測是靜載試驗(yàn)的最主要觀測對(duì)象之一，因此為了充分反映橋梁結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn)幾何變形量， 斜拉橋共設(shè)置了54 個(gè)變形測點(diǎn)。 其中，主梁撓度上下游及中線各14 個(gè)；索塔縱向位移共4 個(gè)。 具體布置見圖10、11。

圖10 撓度測點(diǎn)縱向布置圖

2.5 測試方法

圖11 撓度測點(diǎn)橫向布置圖

本次靜力荷載試驗(yàn)的主要觀測項(xiàng)目及量測方法為：（1）撓度：對(duì)于各撓度測點(diǎn)，準(zhǔn)備階段在梁底安裝萊卡小棱鏡，試驗(yàn)時(shí)采用萊卡全站儀測量。 （2）應(yīng)變：對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變測點(diǎn)布置電阻應(yīng)變片，采用無線靜態(tài)應(yīng)變采集器測量；對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變測點(diǎn)布置振弦應(yīng)變計(jì)，采用無線振弦靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)測量。 （3）塔頂縱向位移：對(duì)于塔頂縱向位移測點(diǎn)，準(zhǔn)備階段在塔頂安裝萊卡小棱鏡，試驗(yàn)時(shí)采用萊卡全站儀測量。 （4）索力：對(duì)于斜拉索索力測點(diǎn)，采用無線索力測試儀測量。 （5）支點(diǎn)沉降：對(duì)于各支點(diǎn)沉降測試截面，采用數(shù)顯千分表測量。

3 靜載數(shù)據(jù)實(shí)測與分析

3.1 位移數(shù)據(jù)分析

（1）主梁試驗(yàn)荷載（雙向八車道等效荷載）下主跨跨中最大撓度234 mm，小于JTG/T D65-01-2007《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》 對(duì)主梁在車道荷載作用下的最大豎向撓度，620 mm=248/400×1000。

（2）數(shù)據(jù)分析主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)0.75～0.98，平均0.86，處于JTG/J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的常值范圍0.75～1.00。 說明結(jié)構(gòu)實(shí)測撓度與理論計(jì)算較為吻合， 實(shí)測整體剛度大于理論剛度；殘余變位-4.04%～6.06%，說明整體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；雙塔雙索面，橋面寬35 m，主跨主梁撓度橫向偏載增大系數(shù)介于1.121～1.134，邊跨主梁撓度橫向偏載增大系數(shù)介于1.113～1.144。主跨主梁扭轉(zhuǎn)角度0.193°，邊跨主梁扭轉(zhuǎn)角度0.074°。說明主梁扭轉(zhuǎn)剛度比較大，不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾覆(圖12)。

圖12 相應(yīng)最大撓度加載工況作用下主梁各斷面撓度實(shí)測值分析

（3）在試驗(yàn)荷載下，第91# 塔的左右側(cè)塔頂縱向位移校驗(yàn)系數(shù)為0.80～0.92，說明主塔結(jié)構(gòu)實(shí)測撓度與理論計(jì)算較為吻合，實(shí)測整體剛度大于理論剛度；殘余變位-5.48%～3.90%，說明整體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；

3.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

應(yīng)變實(shí)測與理論分析如圖13～14 所示。 底板應(yīng)變數(shù)據(jù)分析：校驗(yàn)系數(shù)0.71～0.99，平均0.92，其中底板校驗(yàn)系數(shù)0.82～0.95， 平均0.88，U 肋校驗(yàn)系數(shù)0.73～0.84， 平均0.79， 均低于或處于JTG/J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》 規(guī)定的常值范圍0.75～1.00，說明鋼混組合結(jié)構(gòu)實(shí)測應(yīng)變與理論計(jì)算較為吻合；殘余變位-4.32%～6.26%，說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)； 組合箱梁截面整體符合平截面假定，U 肋參與截面受力， 但扁平鋼箱梁截面受剪力滯影響，腹板附近應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)較中間部分大；U 肋部分校驗(yàn)系數(shù)較底板小。

圖13 相應(yīng)最大彎矩加載工況作用下主梁頂板應(yīng)變實(shí)測與理論分析

（1）腹板應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，腹板應(yīng)變隨截面高度線性分布，表明截面整體符合平截面假定，中性軸較理論偏上，應(yīng)該是實(shí)際混凝土頂板剛度較理論偏大導(dǎo)致中性軸上移。

圖14 相應(yīng)最大彎矩加載工況作用下主梁底板應(yīng)變實(shí)測與理論分析

（2）頂板應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，頂板應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.31～0.50；應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)低于JTG/J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》 規(guī)定的常值范圍0.60～0.90。應(yīng)變控制截面處的相對(duì)殘余應(yīng)變在-4.22%～13.33%，說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。頂板為混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較理論剛度大，導(dǎo)致校驗(yàn)系數(shù)偏低。

（3）塔柱底應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，91# 塔塔柱底最大彎矩截面處頂板應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.36～0.75；該橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)低于或處于JTG/J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的常值范圍0.40～0.80。 應(yīng)變控制截面處的相對(duì)殘余應(yīng)變在-3.59%～8.64%， 滿足JTG/J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中小于20%的規(guī)定。 塔柱為混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較理論剛度大，導(dǎo)致校驗(yàn)系數(shù)偏低。

圖15 主跨最大正彎矩加載工況作用下主梁應(yīng)變測試截面腹板應(yīng)變分析

3.3 索力數(shù)據(jù)分析

荷載試驗(yàn)前對(duì)某某跨海大橋主橋進(jìn)行成橋索力測試。 全橋斜拉索在恒載下的索力分布均衡，左右幅拉索恒載索力對(duì)稱性較好；實(shí)測索力與理論索力較吻合。 全橋88 根斜拉索，其中82 索力偏差小于5%。 6 根斜拉索索力偏差5%～10%， 最大偏差8.69%，成橋索力結(jié)果見圖16。 根據(jù)活載索力增量最大值，選取中跨、邊跨10 號(hào)、11 號(hào)拉索進(jìn)行相應(yīng)工況索力增量試驗(yàn)(表3)。 因設(shè)備故障，未能測得中跨跨中附近索力增量結(jié)果，僅進(jìn)行相應(yīng)工況邊跨索力測試分析。

圖16 成橋狀態(tài)索力測試結(jié)果

表3 工況-斜拉索索力增量分析（單位：kN）

斜拉橋作為組合結(jié)構(gòu)，斜拉索、橋塔及主梁三者能否協(xié)同受力關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力。 從表3 可知，本次索力增量測試工況中選取的斜拉索的索力增量校驗(yàn)系數(shù)0.91，表明斜拉索的活載索力的實(shí)測值基本與計(jì)算值相吻合，且拉索內(nèi)的貯存應(yīng)力(恒載＋活載)均滿足JTG/T D65-01-2007《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》的要求，即小于708 MPa(0.4×拉索抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度)。

4 結(jié)論

通過對(duì)某跨海大橋主橋荷載試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：（1） 鋼-混凝土組合箱梁撓度校驗(yàn)系數(shù)接近1，實(shí)測撓度與理論計(jì)算較為一致；主梁組合箱梁截面抗彎剛度較大， 撓度變形符合設(shè)計(jì)限值要求，且扭轉(zhuǎn)剛度較大，扭轉(zhuǎn)角度小，橫向偏載增大系數(shù)小， 不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾覆。 （2）鋼-混凝土組合箱梁符合平截面假定， 但扁平鋼箱梁剪力滯影響存在，導(dǎo)致應(yīng)力在腹板附近較中部大，U 肋參與截面受力，但應(yīng)力較底板?。?鋼結(jié)構(gòu)部分實(shí)際剛度與理論一致，而混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較理論大，導(dǎo)致組合箱梁截面中性軸上移，截面實(shí)際剛度較理論偏大。 （3）橋塔縱向位移、斜拉索索力增量校驗(yàn)系數(shù)接近1，說明橋塔、主梁及斜拉索能較好的協(xié)同工作，符合組合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。