变截面波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验分析

田 寿

(河北远洲工程咨询有限公司，河北 石家庄 050035)

变截面波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验分析

田 寿

(河北远洲工程咨询有限公司，河北 石家庄 050035)

以南水北调大桥工程为例，通过建立该桥的结构有限元计算模型，对该桥荷载试验数据进行了分析，结果表明：该桥强度、刚度和动力特性满足规范要求，设计、施工安全可靠，相关数据可为同类桥梁的建设提供参考。

波形钢腹板，组合箱梁，荷载试验

0 引言

波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥是一种新型桥梁结构，以其优越的受力性能、良好的经济效益受到广泛关注，与普通的预应力混凝土箱梁相比，具有以下优点：1)波形钢腹板代替混凝土腹板，减轻了上部结构自重，提高了抗震性能。2)波形钢腹板的纵向刚度较小，几乎不抵抗轴向力，纵向预应力可以集中加载于上、下翼缘板，从而有效地提高预应力效率。3)波形钢腹板用于抗剪，混凝土翼缘用来抗弯，能充分发挥钢材和混凝土的优势性能。4)波形钢腹板可以工厂生产，现场拼装，加快施工进程，缩短工期。5)波形钢腹板可以避免腹板开裂，提高耐久性[1，2]。

本文通过介绍河北某高速公路南水北调大桥实桥交工荷载试验，评价该桥实际结构承载能力是否符合设计要求，为以后波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥的设计和施工提供参考。

1 工程概述

本桥位于河北某高速公路上，全长268.5 m，桥梁跨越南水北调主渠，桥轴线与南水北调渠呈90°。上部结构为(70+120+70)m的波形钢腹板预应力混凝土变截面连续箱梁；下部结构桥墩采用矩形实体墩，桥台采用肋板式桥台，墩台基础均采用桩基础。桥梁平面位于直线上，纵断面位于R=23 000 m竖曲线上。桥梁宽度为2×(0.5 m防撞护栏+13.13 m行车道+0.382 m防撞护栏)+0.476 m中央分隔带=28.5 m。设计荷载等级公路—Ⅰ级。桥梁分为左右幅，两幅箱梁关于桥梁中心线对称。单幅桥主梁采用单箱单室截面，箱梁顶板宽度为14.012 m，箱梁底板宽度为7.5 m。梁高和底板厚度均以二次抛物线的形式由跨中向根部变化，跨中梁高3.5 m，根部梁高7.5 m，箱梁翼缘悬臂3.256 m。边跨设置3道横隔板，中跨设置4道横隔板。顶、底板采用C55混凝土，波形钢腹板及抗剪连接构件均采用Q345D钢材。箱梁采用悬臂浇筑的施工方法。

该桥的桥型布置图如图1所示，横断面如图2所示。

2 结构有限元计算模型

应用MIDAS CIVIL V8.2.1软件建立该桥结构模型，单幅主梁采用空间梁单元进行模拟，墩顶截面采用混凝土截面，波形钢腹板截面采用软件自带波形钢腹板截面。支承条件按一般约束边界考虑。全桥共划分为75个节点，74个单元。结构模型见图3。

计算中认为钢腹板与混凝土顶、底板能共同工作且不发生相对滑移或剪切破坏；忽略波形钢腹板对结构抗弯的贡献，由混凝土顶、底板承受全部弯矩；波形钢腹板承担所有剪力，其应力状态一般视为纯剪且沿腹板高度方向等值分布[2]；波形钢腹板箱梁弯矩和剪力不发生相互作用；不考虑桥面铺装参与受力。

3 静荷载试验及结果分析

3.1 试验方案

按照连续梁桥的主要加载测试项目，该桥主要内力和位移测试控制断面为第1跨跨中断面、第2跨跨中断面和1号墩顶断面；6个主要测试工况为：第1跨跨中正弯矩对称工况和偏心工况；第2跨跨中正弯矩对称工况和偏心工况；1号墩支点截面负弯矩对称工况和偏心工况。

本次试验为交工荷载试验，采用基本荷载加载[3]，静力荷载试验效率取0.95～1.05之间[4]，每一工况在影响线上纵向布置加载车辆，根据计算结果，采用8辆三轴载重汽车加载，车辆总重平均为525 kN，前中轴距3.5 m，中后轴距1.4 m，后轮横向轮距1.8 m。各工况影响线见图4，试验荷载效率见表1。

表1 试验荷载效率

3.2 加载位置

第1跨和第2跨跨中正弯矩工况采用4辆车进行加载，1号墩墩顶负弯矩工况采用8辆车进行加载。各工况加载位置如图5,图6所示。正式试验前进行预加载。

3.3 测点布置

1)应变测点。主要应变测试断面为第1跨、第2跨跨中断面和1号墩顶断面，各测试断面测点布置如图7所示。应变采用数码静态应变传感器测量。

2)挠度测点。主要挠度测试断面为第1跨和第2跨的L/4，L/2，3L/4断面，第3跨的跨中断面，每个断面两侧腹板下方各布置一个测点，各墩(台)位置布置沉降测点。如图8所示，挠度采用百分表配合悬挂钢丝法测量。

3.4 静载试验结果

因试验数据较多，限于篇幅仅将满载状态下第1跨、第2跨跨中截面梁底应力和挠度数据列出，见表2～表5。

通过对全桥各控制断面的检测数据分析整理，各测点应力校验系数在0.55～0.67之间，挠度校验系数在0.62～0.73之间。桥梁各控制断面的强度、刚度满足设计要求，并有一定的安全储备。各测点残余变形满足要求，箱梁在试验荷载下控制断面处于弹性工作状态。

表2 第1跨跨中加载第1跨跨中梁底测点应力值

工况测点实测值/MPa计算值/MPa校验系数第1跨对称11．312．020．6521．242．020．61第1跨偏心11．372．130．6421．131．920．59

表3 第2跨跨中加载第2跨跨中梁底测点应力值

表4 第1跨跨中加载第1跨跨中测点挠度值

表5 第2跨跨中加载第2跨跨中测点挠度值

4 动荷载试验及结果分析

4.1 试验一：行车试验测定动态响应

在桥面上无任何障碍的情况下，采用1辆试验车分别以10 km/h，20 km/h，30 km/h，40 km/h的不同车速匀速通过桥跨结构，记录试验车辆在试验孔上行驶时测点的挠度时程曲线，根据所记录的曲线计算和分析桥梁在试验荷载作用下的冲击系数。测点布置在第1跨跨中位置，测量仪器采用BJQN-5B型光电挠度仪。检测结果见表6，典型时程曲线见图9。

表6 第1跨跨中在不同车速下的冲击系数

根据测试结果，桥梁实测冲击系数在0.003～0.016之间，小于理论冲击系数0.05，说明该桥的行车性能满足要求。

4.2 试验二：脉动试验测定振动特性

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应。仪器采用INV306动态测试和信号分析系统。

经测定，桥梁实测1阶频率为1.15 Hz，大于理论值1.09 Hz，表明结构动力性能满足要求。

5 结语

本次荷载试验效率满足规范要求[4]，能够反映桥梁结构设计荷载下的受力性能；在试验荷载作用下，各工况控制断面的应力和挠度校验系数均小于1，桥梁结构的强度和刚度满足设计要求；冲击系数小于理论计算值，实测基频在正常范围内，且大于理论计算值，说明桥梁行车性能和结构动力性能满足要求。

[1] 陈宝春，黄卿维.波形钢腹板PC组合箱梁应用综述[J].公路，2005(7):45-53.

[2] 宋建永,王 彤,张树仁.波纹钢腹板体外预应力混凝土组合梁桥[J].东北公路,2002,25(1)：38-40.

[3] YC 4—4/1978,大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].

[4] JTG/T J21—2011,公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

Analysis on load test of variable cross-section corrugated steel webs composite box girder bridge

Tian Shou

(HebeiYuanzhouEngineeringConsultingLimitedCompany,Shijiazhuang050035,China)

Taking the south to north water diversion bridge project as an example, through the establishment of structure finite element model of the bridge analyzed the load test data, the results showed that: the strength, rigidity and dynamic characteristics of bridge all met the requirements specification, the design, construction safe and reliable, the relevant data could provide reference for similar bridges construction.

corrugated steel webs, composite box girder, load test

2015-03-23

田 寿(1980- )，男，工程师

1009-6825(2015)16-0191-03

U441.2

A