城市钢桁架人行天桥荷载试验研究

姚响宇 李真兴

摘要：荷载试验是评定桥梁承载能力及安全性最直接和最有效的办法。通过建立钢桁架人行天桥的有限元模型，分析了桥梁在设计人群荷载下的静力特性，同时进行了模态分析。通过荷载试验，实际测量了桥梁控制截面的应变和挠度。试验研究表明，桥梁实测应变和挠度都低于理论值，试验荷载效率、校验系数和残值比等指标均满足城市桥梁检测技术标准的要求，试验桥跨在力学性能上满足设计和使用的要求。

关键词：荷载试验；有限元；校验系数；

中图分类号：U441.6文献标识码：A

Load testing research of cities steel truss footbridge

Yao XiangyuLi Zhenxing

(1.Guangzhou Construction Quality and Safety Testing Center, Guangzhou 510699, China; 1.Guangzhou Cheng An Bridge Testing Ltd, Guangzhou 510420, China)

Abstract: Load testing is a bridge carrying capacity and safety of the most direct and effective way to assess. The finite element model of steel truss footbridge was established, static characteristics of the bridge was analyzed under the load of the crowd, simultaneously the modal analysis was conducted. By loading test, the strain and deflection of bridge control section was measured. The research had shown that bridges measured strain and deflection were lower than the theoretical value, test load efficiency, calibration factor and residual value ratio meet the city's bridge inspection technology standards, the bridge meet the requirements of designing and using on the mechanical properties.

Keywords: load testing; finite element; calibration coefficient

E-mail：1515252297@qq.com

引言[作者简介：姚响宇，男，硕士。

收稿日期：2014-03]

钢桁架桥在铁路中应用较多，而在公路及城市桥梁领域很少见到。但是在公路和城市桥梁领域选用钢桁架桥有其独特的优越性，施工速度快，对交通影响较小，桥型美观。由于钢桁架桥有以上优点，又伴随着我国城镇化发展的契机，有越来越多的钢桁架桥被应用于城市建设中。

本文主要介绍位于广州市罗冲围公交总站钢桁架人行天桥的力学特性，并通过荷载试验和有限元计算对该桥承载力和动力特性进行评定。

连续钢桁架人行天桥概述

该天桥上部结构为三跨连续钢桁架，下部结构边墩、中墩采用钢筋砼双柱式墩。该桥计算跨径为18.6+29.92+22.361米，主桥净宽为3.5m，总宽为5m。钢桁架主要采用Q345C钢材，主墩、楼梯、楼梯墩采用C30混凝土。该桥荷载标准：主桥人群荷载按4.0kPa计。钢桁架人行天桥成桥模型如图1所示。

图1钢桁架人行天桥

钢桁架人行天桥静载试验分析

2.1 钢桁架人行天桥有限元建模

由于该桥各个杆件连接方式为焊接，因此杆件内力不只有轴力，还有弯矩。本文采用有限元分析软件对该连续钢桁架人行天桥进行三维整体建模[1] [2] [3]，仿真桥梁在设计活载下的受力状况，各杆件都采用梁单元，所得的有限元模型如图2所示，理论计算不考虑桥面铺装、栏杆等附属设施的影响。

图2钢桁架人行天桥有限元模型

2.2 设计人群荷载下桥梁受力状况

将设计人群荷载布置在桥梁的主跨，得到全桥各杆件；再将设计人群荷载布置在桥梁的主跨和大边跨，得到各杆件的应力如图3所示。

(a) 主跨人群荷载应力图

(b) 主跨和大边跨人群荷载应力图

图3设计人群荷载桥梁应力图

根据图3可知本桥的受力特点，选取控制截面为：主跨跨中截面的主桁杆件最大内力（A-A截面），主跨桥墩墩顶附近截面的主桁杆件最大内力（B-B截面）。由于该人行天桥为二维对称图形，控制截面的各杆件具体位置如图4所示，①号杆为上弦杆最大压力杆件，②号杆为下弦杆最大拉力杆件，③号杆为上弦杆最大拉力杆件，④号杆为下弦杆最大压力杆件，⑤号杆为腹杆最大拉力杆件，⑥号杆为腹杆最大压力杆件。

图4控制截面杆件位置图

2.3 静载试验加载

根据《城市桥梁检测技术标准》规定[4]，静载试验荷载效率表示如下：

对于验收性试验：0.80≤η≤1.0；对于鉴定性试验：0.95≤η≤1.05。式中为试验荷载作用下，检测部位变位或力的计算值；S为设计标准活载作用下，检测部位变位或力的计算值；δ为设计取用的动力系数。

为使得试验过程中加载效率的提高和确保结构安全，布载原则根据控制截面的主桁杆件轴力影响线进行最不利布载。①、②、③、④、⑤、⑥号杆的轴力影响线如图5所示。从图6可知，本桥应在主跨和跨径为22.361m的边跨进行试验荷载加载。

(a) ①号杆的轴力影响线

(b) ②号杆的轴力影响线

(c) ③号杆的轴力影响线

(d) ④号杆的轴力影响线

(e) ⑤号杆的轴力影响线

(f) ⑥号杆的轴力影响线

图5控制截面杆件轴力影响线

2.4 静载试验结果

静载试验各杆件应变值受拉为正，受压为负，各杆件应变值如表1所示。各杆件应变实测值与加载比率的关系曲线如图6所示，从该图中可知各杆件实测应变小于理论应变，各实测值曲线与与理论曲线线形较吻合，且残余应变值较小。

表1各测试杆件应变表（单位：με）

杆件 应变值 1级 2级 3级 4级 卸载

① 实测值 -25 -44 -63 -1

理论值 -29 -51 -70

② 实测值 9 14 18 -2

理论值 26 46 62

③ 实测值 16 27 38 60 3

理论值 20 35 47 74

④ 实测值 -7 -11 -16 -30 -2

理论值 -13 -23 -32 -40

⑤ 实测值 1 2 2 31 -1

理论值 4 8 10 53

⑥ 实测值 -2 -3 -5 -35 -1

理论值 -6 -10 -13 -46

(a) ①号杆和②号杆

(b) ③号杆和④号杆

(c) ⑤号杆和⑥号杆

图6控制截面杆件荷载试验应变图

Fig.6The magnetic field uniformity of GMM rod

centerline and magnetic field distribution

for closed magnetic circuit

主跨跨中挠度实测值与加载比率的关系曲线如图7所示，从该图中可知主跨跨中挠度测点的实测值小于理论值，实测值与荷载基本呈线性规律变化，且残余变形值较小。

图7控制截面杆件荷载试验挠度图

2.5 静载试验结果评定

根据城市桥梁检测技术标准规定，量测的弹性变形值（）与试验荷载作用下的理论计算值（）的比值ξ（即校验系数）；量测的残余变形值（）与量测的总变形值（）的比值δ（即残值比）应满足：

本桥属于钢桁架桥梁，因此上述式中参数取值为：对于应变（β=0.5、α=0.9、α1=0.20），对于挠度（β=0.6、α=1.0、α1=0.20）。将试验的挠度、应变实测值和理论计算值代入上两式子中，计算结果列于表2中。

表2静载试验结果评定表

检测部位 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 跨中

挠度

校验系数 0.89 0.32 0.77 0.55 0.6 0.74 0.68

残值比 0.02 0 0.05 0.07 0 0.03 0.05

钢桁架人行天桥动力特性分析

为了科学的评估该桥的动力可靠性能，对该桥进行进行了模态分析，通过有限元分析得到该桥第一阶频率为2.2Hz，第二阶频率为4.2Hz，第三阶频率为6.1Hz。而人普通步速频率为2.0Hz、快走频率为2.3Hz、慢跑频率为2.5Hz、快跑频率为2.7Hz[5]。理论分析得到当行人快走时，会引起过大振幅，影响行人行走的舒适度。

(a) 第一阶模态

(b) 第二阶模态

(c) 第三阶模态

图8桥梁模态分析图

结论

钢桁架桥各杆件主要受轴力和弯矩影响，本文建立了钢桁架人行天桥有限元模型，对其进行了静力和动力特性仿真分析，然后进行了桥梁荷载试验。最终得出以下结论：

（1）本次静载试验控制截面各杆件的试验荷载效率、校验系数和残值比等指标均满足城市桥梁检测技术标准的要求。

（2）通过仿真分析和荷载试验可知，桥梁实测应变和挠度都低于理论值，试验桥跨在力学性能上满足设计和使用的要求。

（3）通过桁架桥动力特性分析，发现钢桥的频率和刚度较混凝土桥梁低，容易使激励荷载产生过大振幅，影响舒适度。

参 考 文 献

[1]王瑁成,有限单元法.北京:清华大学出版社,2003..

[2]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3]城市人行天桥与人行地道技术规范,CJJ69-95.

[4]城市桥梁检测技术标准,广东省标准DBJ/T15-87-2011.

[5]随机人群荷载下大型火车站房大跨楼盖减振设计与分析[J],东南大学学报,2010,40(3):543-547.