波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验研究.pdf

城市道桥与防洪第6 期（总第2 90 期）2023年6 月D01:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.059URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL科技研究波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验研究李晓刚（中交基础设施养护集团有限公司甘肃分公司，甘肃兰州7 3 0 0 3 0）摘要：为检验某新建波形钢腹板钢底板一混凝土顶板组合箱梁桥的施工质量及实际承载能力，分析该桥在等效车辆荷载作用下的静、动力特性，运用结构有限元分析软件MIDASCIVIL对该桥建立有限元仿真模型。通过现场静载试验及动载试验，实测桥梁结构在等效车辆荷载下的静、动态数据并与理论计算值进行比对分析，以此验证简化模型的合理性和准确性，并对桥梁施工质量和实际承载能力做出评价。关键词：桥梁工程；波形钢腹板；静载试验；组合箱梁；动载试验；承载能力中图分类号：U446文献标志码：A文章编号：1 0 0 9-7 7 1 6(2 0 2 3)0 6-0 2 2 6-0 4BCSW1200型。现浇混凝土顶板厚2 5cm，采用C50混0引言凝土。桥梁中支点两侧8 m范围内腹板厚度1 2 mm，底波形钢腹板组合箱梁桥比传统预应力混凝土桥板厚度1 4mm，并在底板浇筑2 3 cmC50微膨胀混凝梁具有结构自重轻、材料利用充分、预应力效率高等土。距边支点7.2 m范围内腹板厚度1 2 mm，底板厚优点，尤其避免了混凝土桥梁在长期运营后由于腹度1 4mm。跨中部分腹板厚度1 0 mm，底板厚度1 6 mm。板裂缝导致的下挠问题。基于这些优点，波形钢腹板桥面设计宽度（0.5+1 1.2 5+0.5)m；设计荷载为公路I组合箱梁桥自从出现以来便得到极大关注，并在一级。桥梁立面及横断面见图1 图3。些项目中逐步得到运用。近年来，一种新型的波形钢30腹板钢底板混凝土顶板组合箱梁桥得到大量运用。由于该种箱梁结构在工厂中便于拼装及焊接，上部结构施工质量能够得到保证。同时，由于钢结构自重较轻、易于架设、施工进度较快等优点，该种桥型越来越多地被运用到目前的新建项目中。本文以甘肃省内某新建项目四跨波形钢腹板钢底板混凝土顶板组合箱梁桥为例，对该桥建立有限元仿真模型进行理论分析，通过现场静动载试验得出实测数据并与理论计算值进行比对分析，进而对桥梁施工质量及实际承载能力做出评价，为桥梁将来的运营及养护提供一定理论依据。1工程概况该桥建于2 0 2 0 年，桥梁上部结构采用43 0 m等截面连续波形钢腹板钢底板混凝土顶板组合箱梁，下部结构采用柱式墩台、钻孔灌注桩基础。箱梁为双箱单室，箱梁之间采用K型撑连接，现浇桥面板。钢箱梁高1.2 5m，底板宽3 m，上翼板与底板钢材采用Q390。波形钢腹板钢材采用Q345,型号为收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 3作者简介：李晓刚（1 98 7 一），男，本科，工程师，从事桥梁检测及结构分析工作。300#台1#墩图1 桥梁立面图（单位：m）50011500巴用10125500田121252截面特性计算2.1抗弯惯性矩波形钢腹板由于折皱效应导致其纵向刚度非常小，因此截面竖向抗弯惯性矩计算仅计人混凝土顶板与钢底板组成的有效截面（见图4）。2.2剪切面积波形钢腹板组合梁剪力由波形钢腹板承担且波226302#墩2750国3000图2跨中断面图（单位：mm）115002750国正3000图3 梁端断面图（单位：mm）303#墩4#台509500田2023年第6 期李晓刚：波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验研究城市道桥与防洪6250混凝土顶板钢底板3000图4抗弯惯性矩计算截面（单位：mm）形钢腹板剪应力沿梁高均匀分布,腹板剪切变形对波形钢腹板整体变形行为影响显著，波形钢腹板剪切变形引起的主梁挠度不可忽略 2 。波形钢腹板有效剪切面积按下式计算!：Aw=hwtwnn=(aw+bw)/(aw+cw)式中Aw为波形钢腹板的等效面积,mm;h为波形钢腹板竖直方向的高度，mm;tw为波形钢腹板的厚度,mm;n为波形钢腹板形状系数;aw为波形钢腹板直幅段长度，mm（见图5）;b为波形钢腹板斜幅段投影长度，mm（见图5);cw为波形钢腹板斜幅段长度,mm(见图 5)。图6 桥梁有限元模型载作用下的内力包络图，选择受力最不利截面为试验控制截面，以最不利截面内力为控制内力。经计算,确定本桥共3 个控制截面，分别为I-I边跨最大正弯矩截面、-墩顶最大负弯矩截面、-中跨最大正弯矩截面。每个截面分偏载和中载两种试验工况，全桥共6 个试验工况。每个工况采用4辆三轴加载车作为等代荷载进行加载，单辆车重40 t,车辆轴载分布为前轴8 t,中后轴各1 6 t,每个加载位横向布置两辆车。各工况加载纵向布置图见图7。1.41.44.13.8513.8工况1、21.41238工况3、47.31.41.43.853.8aw15工况5、618.2II10.5127.31.4811.82#墩图5波形钢腹板形状图示经计算，各工况加载效率均介于0.8 5 1.0 5之2.3扭转惯性矩间，满足规范要求 3 ,具体荷载效率见表1。波形钢腹板组合梁扭转惯性矩按下式计算!l：表1 加载效率表J.=-4Ahohon.ti(1+)n.t(1+)+t:(1+)+t4(1+)式中：J.为扭转惯性矩,mm*;Am为箱型薄壁中心线所围面积,mm;ns为波形钢腹板和混凝土的剪切变形模量比;ti、t 2 为波形钢腹板厚度，mm;t3、t 4为顶板、底板厚度，mm;为修正系数，=0.4ho/bo-0.06,且当ho/b。0.2 时,=0;ho为顶板、底板中线间的距离，mm;bo为波形钢腹板中线间的距离,mm。3静载试验3.1建立模型采用MIDASCIVIL对该桥建立仿真模型，横向分为两片箱梁。箱梁截面采用程序组合梁截面，将波形钢腹板按照剪切面积相等原则等效为直腹板，按照本文2.1 2.3 条计算结果对截面特性进行修正。桥梁有限元模型见图6。3.2试验方案3.2.1加载效率按照设计活载对桥梁进行加载，得到桥梁在活3#墩图7 各工况加载纵向布置图（单位：m）试验弯矩/控制弯矩/加载控制bo工况控制荷载1I-I截面偏载3964.52I-I截面中载3068.23-I 截面偏载-3457.34-截面中载-2 410.45-截面偏载3029.76-截面中载2.437.53.2.2测点布置控制截面应变及挠度测点布置见图8、图9。田58国2图8 应变测点布置图巴用225003250图9挠度测点布置图（单位：mm）227.4#台(kNm)(kNm)4 121.33 096.4-3 819.5-2 673.63333.32.538.33332502500效率梁号0.964-1#梁0.994-1#梁0.914-1#梁0.904-1#梁0.913-1#梁0.963-1#梁4城市道桥与防洪3.3试验结果由表2 可知，试验桥跨在各工况车辆荷载作用下实测挠度横向分布与理论计算结果基本相符，反映了主梁在各加载工况下的变形趋势。各工况作用下挠度实测值均小于理论值，校验系数最大值为0.85,满足规范 4 中校验系数应小于1 的要求；相对残余挠度最大值为7.8 0%，满足规范 4 中相对残余挠度应小于2 0%的要求。表2 各工况下挠度测试结果工况项目实测值/mm计算值/mm1校验系数相对残余挠度1%实测值/mm计算值/mm2校验系数相对残余挠度1%实测值/mm计算值/mm5校验系数相对残余挠度/%实测值/mm计算值/mm6校验系数相对残余挠度/%工况项目实测值/u81计算值/u8校验系数实测值/u82计算值/u8校验系数实测值/u83计算值/u8校验系数实测值/u84计算值/u8校验系数实测值/u85计算值/u8校验系数实测值/u86计算值/u8校验系数李晓刚：波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验研究测点编号1215.7912.0520.5216.320.770.743.202.1013.8112.9416.3316.330.850.790.300.2013.099.8716.8413.260.780.747.801.1010.6710.0113.2713.270.800.751.400.90122222352662660.840.892021962152150.940.91-72-71-115-1150.630.62-58-51-81-810.720.631681622042040.820.791151021691690.680.602023年第 6 期由表3 可知，试验桥跨在各工况荷载作用下应变横向分布与理论计算结果基本相符，反映了主梁在各加载工况下的受力特点。各工况作用下应变实测值均小于理论值，校验系数最大值为0.94，满足规范 4 中校验系数应小于1 的要求。4动载试验4.1试验工况动载试验选择无障碍行车试验，测试截面选择I-I截面，并在该截面布置拾振器和应变传感器。3试验车辆分别以3 0 km/h、40 k m/h、50 k m/h 的速度9.49匀速通过桥梁，利用动态测试系统记录车辆行驶过12.12程中桥梁振动加速度和动应变时域曲线。由车辆驶0.78离桥面后引起的加速度余振信号分析桥梁自振频2.80率，由动应变曲线分析冲击系数。12.28通过计算，桥梁竖向第一阶频率为2.6 3 1 Hz,对16.33应振型图见图1 0。0.75HH0.607.029.690.720.3010.1513.270.760.60表3 各工况下应变测试结果测点编号341321451621620.820.901731852122120.820.87-31-35-43-430.730.82-61-54-78-780.780.691071121371370.780.821561451691690.920.86228图1 0 桥梁竖向第一阶振型图根据规范 5，该桥冲击系数计算值：=0.176 7 lnf-0.015 7=0.1555-25-310.82-17-250.6725390.6421290.72-21-270.77-10-190.526-21-310.69-19-250.7533390.8419290.65-18-270.66-14-190.727-10-190.53-15-230.669170.5320270.75-8-130.61-12-190.638-13-190.69-12-230.5313170.7717270.64-10-130.76-9-190.482023年第6 期李晓刚：波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验研究城市道桥与防洪4.2试验结果4.2.1自振频率选取50 km时速下测试截面振动加速度曲线（见图1 1）,对车辆驶离桥面后余振加速度曲线进行自谱分析，得到桥梁实测竖向第一阶频率为2.8 7 5Hz，大于理论计算值2.6 3 1 Hz，说明桥梁实际刚度大于理论刚度，桥梁结构实际状态良好。(mV)全程波形图20100-10-20(mv）单峰值谱，光标：A=0.24274=2.875Hz00.30.20.10.00图1 1 50 km时速下余振加速度曲线自谱分析图4.2.2冲击系数选取50 km时速下测试截面动应变时程曲线（见图1 2）。采用三点法对冲击系数进行分析，选取动应变时程曲线中最大动应变峰值及相邻两侧动应变波谷值（图中1、2、3 点），得到最大动应变幅值为-52.78，1、2、3 点动应变平均值为-46.0 8，计算得出实测冲击系数为0.1 46，小于理论计算值0.1 55，说明桥梁行车性能良好。5结论（1)试验桥跨在各工况车辆荷载作用下实测挠度变形趋势与理论分析基本相符，校验系数最大值为0.8 5，满足规范 4 中校验系数应小于1 的要求，桥梁实际刚度满足设计要求。相对残余挠度最大值为7.8%，满足规范 4中相对残余挠度应小于2 0%的要求，说明桥梁处于弹性工作状态，变形后恢复能力较好。(2)试验桥跨在各工况车辆荷载作用下应变横(ue)全程波形图500-500(ue)冲击系数分析图A=-52.714eAv=-46.0173ueK=1.14552