波形钢腹板组合梁桥静力荷载试验

波形钢腹板组合梁桥静力荷载试验
黄淞文;贾慧娟;张建东
【摘要】静力荷栽试验能够有效地检验桥梁结构安全,文章针对波折腹板组合梁桥进行了静力加栽试验,并采用有限元程序ANSYS建立模型,重点分析了各项力学指标.试验和分析结果表明:桥梁测试截面的实测挠度和应力均小于计算值,且在设计荷载作用下处于弹性工作阶段,满足设计要求,为今后同类型桥梁结构的发展积累经验.【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2013(010)006
【总页数】5页(P26-29,40)
【关键词】波形钢腹板;静载试验;有限元分析;荷载工况
【作者】黄淞文;贾慧娟;张建东
【作者单位】江苏省交通运输厅工程质量监督局,江苏南京210001;东南大学,江苏南京210018;江苏省交通科学研究院股份有限公司,江苏南京211112
【正文语种】中文
【中图分类】U448.21+6
1 概述
波形钢腹板箱梁在国外已经得到了广泛的运用。

1975年法国Campenon Bernard公司最先提出了用波形钢腹板代替传统混凝土腹板的设想，并于1986年建造了世界上第一座波形钢腹板组合连续箱梁桥——Cognac桥［1］。

此后在世
界各国又建成了法国的Maupre桥、Asterix桥、挪威的 Tronko桥等［2］。

后来这种结构又在日本得到了飞速发展［3］。

由于波形钢腹板箱梁在结构性能、减少工程量、缩短工期以及降低成本等方面具有很大的优势，而且在施工性能和美观方面也具有很大的吸引力，因此它是一种值得推广的新桥型［4］。

我国长期以预应力混凝土箱梁桥的性能研究为主，对钢－混凝土组合结构的设计建设起步较晚，对波形钢腹板组合箱梁结构的研究尚处于起步阶段［5－6］。

本文针对某波折腹板组合梁桥进行的静力加载试验对该桥型的结构性能进行评价。

2 工程概况
某波折腹板组合梁桥总长202 m。

桥梁上部结构为主跨96 m的3跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁。

主梁采用单箱单室截面。

单幅桥箱梁顶板宽度为16．55 m，箱梁底板宽度为8．00 m。

梁高和底板厚度均以1．6次抛物线的形式由跨中向根部变化，跨中梁高3．00 m，底板厚28 cm，根部梁高 6．50 m，底板厚130 cm。

如图1所示。

3 静载试验
3．1 试验荷载
图1 波折腹板桥梁布置图(单位:cm)
静载试验采用38 t车的6辆车进行对称加载，每辆车轴重为12 t、13 t、13 t。

车队纵向位置按影响线进行布设，为保证试验效果，试验荷载的大小和加载位置的选择采用静载试验效率系数进行控制，静力试验荷载的效率系数值取0．85～1．05。

加载车辆横桥向布置如图2所示。

图2 加载车辆布置图(单位:m)
3．2 加载工况及测试断面
根据桥梁受力特点，设置4种工况进行荷载试验。

各工况加载车辆布置如图3所示。

图3 加载工况车辆布置图
加载工况如表1所示，表1所示的各控制测试截面中，截面1－1为13#墩附近最大剪力控制截面;截面2－2为边跨跨中弯矩最大截面;截面3－3为14#墩附近负弯矩和剪力最大控制截面(含内衬混凝土截面);截面4－4为中跨跨中截面。

表1 加载工况一览表工况测试截面测试目的工况1 1－1 控制截面的应力工况2
2－2 控制截面的应力和挠度工况3 3－3 控制截面的应力工况4 4－4 控制截面的应力和挠度
3．3 测点位置
3．3．1 应力测点布置
各个工况应力测点布置图如图4所示。

图4 截面应力测点布置示意图(单位:m)
3．3．2 挠度测点布置
图5为在工况2和工况4荷载作用下的控制截面2－2截面和4－4截面的挠度测点布置图。

其中截面底部设置测点1和测点2，测试控制截面在对称荷载下的挠度。

图5 控制截面挠度测点布置示意图
4 有限元分析
利用分析程序ANSYS建立该桥的平面有限元模型进行模拟。

墩顶截面采用混凝土实体单元，波形钢腹板采用壳单元，对于含有内衬混凝土的梁段，同样建立混凝土实体单元进行模拟，并考虑了由箱梁沿顶板顶缘中心旋转形成的2%的横坡。

实体模型如图6所示。

图6 波折腹板桥计算模型
5 试验结果及分析
主梁应力包括混凝土顶底板应力和波形钢腹板剪应力两部分，实测值为现场实测结果，计算值分别为有限元的计算结果，其中混凝土拉应力为正，压应力为负［7］。

5．1 波形钢腹板剪应力分析
工况1加载情况为最大剪力控制工况，1－1截面的剪应力测试目的是测试端支点
附近波形钢腹板的剪应力分布情况。

测试结果如表2所示。

表2 试验剪应力与理论剪应力比较0．70 0．83 0．92测点位置实测值/MPa 计算值/MPa 校验系数波形钢腹板内表面G1 G2 G3 5．24 13．87 11．09 7．48 16．81 12．10
从以上结果可以看出:截面1－1实测波形钢腹板的最大剪应力实测值为有限元模型最大计算值的82．5%，二者符合较好。

并且，实测值小于计算值，结构偏于安全。

5．2 顶底板正应力分析
工况2是针对边跨跨中附近最大正弯矩的加载试验，主要测试混凝土顶底板的正
应力分布情况。

混凝土顶底板的拉应力为正，压应力为负。

校验系数为试验值与计算值的比值。

2－2截面的测试试验值和计算值比较如表3所示。

表3 试验值和计算值比较注:实测值中的“/”为测试结果异常测点位置实测值
/MPa 计算值/MPa 校验系数0．94顶板T1 T2 T3－0．59/－0．04－0．63－1．07－1．06//0．52 0．69 0．60底板B1 B2 B3 0．95 1．01 1．10 1．83 1．46 1．83
工况2混凝土顶底板的正应力分布情况如图7所示。

图7 混凝土顶底板正应力分布
从以上结果可以看出:工况2加载情况下，边跨跨中附近最大正弯矩处，试验荷载
作用下，2－2截面顶板受压，底板受拉，且实测值小于计算值满足相关规范要求。

工况3是针对中支点截面最大负弯矩处的加载试验，主要测试3－3截面混凝土顶底板的正应力分布情况。

混凝土顶底板的拉应力为正，压应力为负。

3－3截面试
验值与计算值比较如表4所示。

表4 试验值与计算值比较注:实测值中的“/”为测试结果异常测点位置实测值
/MPa 计算值/MPa 校验系数顶板下缘0．81 0．65 0．59//////0．76底板上缘T1 T2 T3 T4 T5 0．01 0．18 0．48 0．59 0．57 0．63 0．64 0．63 B1 B2 B3－0．68－0．59－0．54－0．84－0．91－0．91
工况3混凝土顶底板的正应力分布情况如图8所示。

从图中可以看出:在中支点截面最大负弯矩试验荷载作用下，3－3截面混凝土顶板受拉，底板受压，且应力实测值小于理论计算值，满足相关规范要求。

由于实桥现场试验过程中干扰较多，且截面应力绝对值较小，故有个别测点的实测值与计算值的比值较小，重要测点的校验系数均满足实桥试验荷载规范。

图8 混凝土顶底板正应力分布
工况4是针对中跨跨中最大正弯矩的加载试验，主要测试4－4截面混凝土顶底板的正应力分布情况。

混凝土顶底板的拉应力为正，压应力为负。

4－4截面试验值与计算值比较如表5所示。

表5 试验值与计算值比较注:实测值中的“/”为测试结果异常测点位置实测值
/MPa 计算值/MPa 校验系数0．70 0．67顶板T1 T2 T3 T4 T5 T6－0．80－0．87－0．15－0．22－0．23－0．07－1．14－1．30－1．56－1．10－0．99－1．10/////0．54 0．52底板B5 B6 B7 1．57 1．35 1．98 3．79 2．52 3．79
工况4作用下，混凝土顶底板的正应力分布情况如图9所示。

图9 混凝土顶底板正应力分布
从图中可以看出:在中跨跨中最大正弯矩处试验荷载作用下，跨中截面混凝土的顶板受压，底板受拉，且实测值小于计算值，满足相关规范要求。

由于实桥现场试验过程中干扰较多，且截面应力绝对值较小，故有个别测点的实测值与计算值的比值较小，重要测点的校验系数均满足实桥试验荷载规范。

5．3 挠度分析
全桥的挠度测点为梁底控制，梁底测点仅在控制截面布置，测试该控制截面在最不利试验荷载工况下的挠度。

表6中的挠度计算值为有限元模型的计算结果，其中向下为正，向上为负。

校检系数为挠度试验平均值与计算值的比值。

表6 正载作用下控制截面测点挠度校验系数工况2 2－2 1 2加载工况截面编号测点编号挠度/mm实测值平均值计算值－5．1－4．4 －4．8 －6．6 0．73 2－2 1 2 3．5 3．7 3．6 4．6 0．78工况4 4－4 1 2－16．3－15．1 －15．7 －17．4 0．90
由表6知，工况2对称加载作用下，最大挠度控制截面的挠度测点检验系数为0．73。

在工况4对称加载作用下，边跨跨中截面2－2截面和中跨跨中截面4－4截面的控制挠度校检系数分别为0．78和0．90。

试验荷载作用下各控制截面的梁底挠度实测值均小于理论计算值，挠度校验系数小于1．0，满足要求。

对控制截面的残余变形进行研究，检验在试验加载过程中该波形钢腹板桥梁的工作状态。

控制截面的相对残余变形百分比如表7所示。

由表7可知，卸载后在工况2和工况4作用下，各控制截面的相对残余变形为1．96% ～13．64%，均在规范规定的20%范围以内，说明结构产生的变形能够得到恢复，结构处于线弹性工作状态。

表7 控制截面残余变形相对残余变形/%工况2 2－2 1 2工况截面测点加载变形/mm卸载变形/mm－5．1－4．4－0．1－0．6 1．96 13．64 2－2 1 2 3．07 3．31 0．4 0．2 3．5 3．7工况4 11．43 5．41 4－4 1 2－16．3－15．1－0．5－0．5
综上分析可知，在试验荷载作用下，各控制截面实测挠度小于理论计算值且残余变形较小，表明结构刚度满足设计荷载要求;在试验荷载作用下，各控制截面的实测应变小于理论计算值且残余应变较小，表明结构强度满足设计荷载要求。

6 结论
(1)在试验荷载作用下，波纹钢腹板上剪应力实测值小于理论计算值，并远远小于波纹钢腹板的剪切屈服强度200．1 MPa。

(2)由各控制截面正应力实测数据可以看出:该桥波纹钢腹板组合箱梁的强度满足设计和正常使用要求。

(3)在试验荷载作用下，各控制截面实测挠度在各工况作用下均小于理论计算值，控制挠度测点校验系数介于0．73～0．90，《公路桥梁荷载试验规程》(专家征求意见稿)规定正常预应力混凝土桥梁的校验系数介于0．6～1．0，这意味着该桥符合挠度控制，并有一定的安全储备。

(4)试验桥梁满足设计荷载作用下的使用要求。

参考文献
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京:北京交通大学，2011．。