新型钢桁架桥复合结构体系的静动载试验研究

马宏亮

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

新型钢桁架桥复合结构体系的静动载试验研究

马宏亮1，2

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

天津慈海桥为钢桁架桥和摩天轮复合结构体系，主桥主跨为三跨(24.47+45.00+24.47)m连续钢桁架梁，分为上下两层。为了检测桥梁结构的静力和动力性能，评定桥跨的承载能力，为工程验收提供科学依据，对该桥进行了静动载试验，并结合理论计算，对桥梁结构的主要构件应力、主梁挠度和结构振动特性等进行了对比分析。试验结果表明桥跨结构设计合理，桥梁刚度和承载能力满足设计要求，桥梁主体结构处于良好的技术状态和使用状态。

复合结构体系 钢桁架桥 静动载试验 有限元分析

天津慈海桥为钢桁架桥和摩天轮复合结构体系，主桥全长204 m，分为上下两层，上层为机动车道，设计荷载为城—A级汽车荷载，双向6车道，上、下行之间预留4.4 m间隙，供摩天轮穿过。下层为非机动车与步行通道以及商业空间，桥面为一整体，中部是摩天轮登舱站台区，两侧为行人和非机动车过桥通道，人行道宽4.5 m/侧，人行荷载为4.0 kN/m2［1-2］。

主桥主跨桁架梁的跨径布置为(24.47+45.00+ 24.47)m，为三跨连续桁架，横向共设四片主桁架，主桁之间通过上平联、下平联的纵横梁连接，上层桥面总宽31 m，下层桥面总宽38 m。主桁和引桥之间为钢混叠合梁过渡段，两岸各设置两孔，跨径组合分别为:红桥侧(42.50+12.53)m、河北侧(15.23+39.80)m。引桥为预应力混凝土连续箱梁，两岸各设置四孔，跨径组合均为4×25 m。

主桥中央的摩天轮直经为110 m，由两个高62 m的人字形钢结构塔架支撑。摩天轮轮盘为辐射状拉索和钢管桁架轮箍组成的轮辐索式结构。人字形塔架结构由互成120°的三条直线型钢箱体组成。主桥示意如图1。

对该桥进行静动载试验，目的在于通过试验检验桥跨结构的设计与施工质量，为工程竣工验收提供重要依据;测试桥跨结构的实际受力表现，了解结构的实际承载能力，评定其工作性能是否达到设计要求;了解桥跨结构的固有振动特性以及在使用荷载阶段的动力性能，为今后安全运营提供必要的技术参数。

图1 慈海桥示意

1 理论分析

慈海桥主桥的理论分析计算采用有限元方法，试验前利用大型有限元软件ANSYS建立了该桥的空间有限元分析模型，对其静动力学性能进行了较全面的仿真计算［3］。

在该桥的有限元建模中，采用空间杆、板、梁及块体单元，其中主梁钢结构板连接部分采用板单元，角钢采用梁单元，上下平联及主桁内横桥向连接采用杆单元，混凝土配重及齿坐梁与弧形梁连接部分采用块单元。全桥共166 984个单元、127 469个节点。主桥计算模型见图2。

图2 主桥有限元计算模型

2 静载试验内容

2.1 测试内容

静载试验测试的主要内容包括主梁结构控制截面静应力测试和静挠度测试。图3为主梁结构应力、挠度测试截面位置示意图，其中1～3号截面为应力测试截面，4～6号截面为挠度测试截面。截面内测点布置见图4、图5。

图3 应力、挠度测试截面位置示意

图4 1号截面应力测点及4，6号截面挠度测点布置

图5 2，3号截面应力测点及5号截面挠度测点布置

2.2 试验荷载及加载项目［4］

利用试验荷载图式等效的原则，通过挠度和内力影响线加载计算，求得设计标准荷载的等代荷载，使控制截面的控制值(弯矩、挠度)与标准活载作用下的控制值之比达到试验荷载效率的要求(0.85≤η≤1.05)，即为本次静力试验荷载。本桥静力试验荷载拟采用10辆重360 kN的载重汽车进行加载。

依据对设计荷载效应的计算结果，本次试验的具体加载项目如下所述。

1)中跨跨中最大正弯矩偏心加载

桥面加载车6辆，按3队排列，另加底层人行道300 kN配重荷载，加载效率0.93。

加载顺序:第一级人行道300 kN配重，第二级1，2号车，第三级3，4号车，第四级5，6号车(参见图6)。

2)边跨跨中最大正弯矩对称加载

桥面加载车10辆，按6队排列，加载效率0.93。

加载顺序:第一级1，2，3号车，第二级4，5号车，第三级6，7号车，第四级8，9，10号车(参见图6)。

3)中支点最大负弯矩偏心加载

桥面加载车9辆，按3队排列，另加底层人行道300 kN配重荷载，加载效率0.86。

加载顺序:第一级人行道300 kN配重，第二级1，2号车，第三级3，4号车，第四级5，6号车，第五级7，8，9号车(参见图7)。

图6 中跨跨中加载与边跨跨中加载轮位示意(单位:cm)

图7 中支点加载轮位示意(单位:cm)

3 动载试验内容

3.1 测试内容

动载试验测试的主要内容包括全桥结构模态测试、主梁结构跑车动力反应测试和跳车动力反应测试。于中跨跨中、中跨L/4的桥面上布置传感器进行测试。

3.2 试验荷载

动载试验荷载拟采用1～2辆重约360 kN的载重汽车。

1)跑车试验。在桥面无任何障碍的情况下，采用2辆重360 kN的试验加载车以10，20，30，40 km/h的速度在上游行车道驶过各测试截面位置，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应。

2)跳车试验。采用1辆重360 kN的试验加载车以5 km/h的速度跨越设置在中跨跨中截面处的障碍物(障碍物为矢高7 cm的弓形木板)，模拟桥面铺装局部损伤状态，测定桥跨结构在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动力反应。

4 静载试验结果

《公路桥梁承载能力检测评定规程》［5］规定，实测弹性变形或力值Se与试验荷载作用下理论计算值Sstat的比值即结构校验系数ξ应满足

应变(或应力)0.50≤ξ=Se/Sstat≤1.00

挠度0.60≤ξ=Se/Sstat≤1.00

4.1 静位移测试结果

中跨跨中正弯矩偏心加载工况下中跨跨中主梁挠度的测试结果见表1，边跨跨中正弯矩对称加载工况下边跨跨中主梁挠度的测试结果见表2。表中－表示下挠。

表1 中跨跨中正弯矩加载时上游行车道中跨跨中主梁挠度

表2 边跨跨中正弯矩加载时边跨跨中主梁挠度

从表1可得，中跨跨中正弯矩加载时挠度实测值均小于计算值，中跨跨中主梁挠度的结构校验系数在0.79～0.90之间;从表2可得，边跨跨中最大正弯矩满载加载时挠度实测值均小于计算值，边跨跨中主梁挠度的结构校验系数在0.65～0.94之间，均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中的有关参考限值规定，说明主梁的整体刚度符合设计要求，且具有一定的安全储备。

中跨跨中实测最大挠度为3.6 mm，挠跨比为1/11 623，满足规范规定的连续梁结构≤L/800的参考限值要求，说明结构的静力刚度较大，整体工作状态良好。

由中跨跨中主梁(上游)挠度与荷载加载效率的关系曲线(图8)可以看出，中跨跨中上游行车道上、下游侧的主梁挠度与荷载加载效率均呈现出良好的规律性变化，说明梁体处于弹性工作阶段。

中跨跨中实测挠度残余变形(Sp)与总变形(Stot)之比为0.4/3.98=0.101，＜0.20的参考限值要求，说明结构在设计荷载作用下具有良好的弹性恢复能力。

4.2 静应力测试结果

表3、表4、表5分别为中跨跨中、边跨跨中、中支点各级荷载加载工况下主梁相应控制截面主要测点的实测应力与计算应力结果。表中－表示压应力。部分测试截面的实测应力与计算应力由于绝对值较小，校验系数受测试误差影响较大，在此省略。

从表3中可以看出，中跨跨中正弯矩加载时中跨跨中各测试截面的应力实测值均低于其计算值，在分级加载下，上纵梁的应力校验系数在0.68～0.97之间;下纵梁的应力校验系数在0.77～1.00之间;纵向斜撑的应力校验系数在0.68～0.91之间;横梁的应力校验系数在0.63～0.98之间，均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中的有关参考限值规定。

表3 中跨跨中正弯矩加载时中跨跨中截面主桁应力MPa

表4 边跨跨中正弯矩加载时边跨跨中截面主桁应力MPa

表5 中支点负弯矩加载时中支点截面主桁应力MPa

从表4中可以看出，边跨跨中正弯矩加载时边跨跨中各测试截面的应力实测值均低于其计算值，在分级加载下，下纵梁的应力校验系数在0.81～0.97之间;纵向斜撑的应力校验系数在0.86～0.89之间;横梁的应力校验系数在0.70～1.00之间，均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中的有关参考限值规定。

从表5中可以看出，中支点负弯矩加载时中支点各测试截面的应力实测值均低于其计算值，在分级加载下，上纵梁的应力校验系数在0.64～0.85之间;下纵梁的应力校验系数在0.65～0.98之间;纵向斜撑的应力校验系数在0.75～0.92之间，均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中的有关参考限值规定。

中跨跨中、边跨跨中、中支点主梁应力与荷载加载效率呈现出良好的规律性变化，说明中跨跨中、边跨跨中、中支点处梁体整体工作性能良好，具有足够的安全储备，强度满足设计要求。

5 动载试验结果

5.1 自振特性

表6为桥跨结构自振频率实测值与计算值的比较结果。从表中可以看出，桥跨结构同阶振型振动频率的实测值均较理论计算值偏大，说明结构的实际动刚度不小于理论期望值。图9为慈海桥结构振型图。

5.2 振动测试结果

动载试验实际测试了中跨跨中截面的竖向位移、竖向加速度、横向位移、横向加速度，以及中跨L/4截面的横向位移等。

测试结果表明桥跨结构振动以竖向振动为主，随着车速的提高，竖向振幅和加速度均在增大。实测桥跨结构在跑车试验时的竖向最大振幅为0.141 mm，＜3.0 mm的参考限值;在跳车试验时的竖向最大振幅为0.403 mm，同样＜3.0 mm的参考限值。实测桥跨结构在跑车试验时的横向最大振幅为0.094 mm，在跳车试验时的横向最大振幅为0.026 mm。

表6 实测自振频率与计算自振频率Hz

图9 慈海桥结构振型

6 结论

1)静载试验挠度实测值小于计算值，残余变形小于参考限值，说明结构始终处于弹性工作阶段，梁体的实际刚度大于理论计算刚度。静载试验应力实测值小于计算值，说明结构的整体工作性能良好，实际强度较高，在最不利荷载作用下结构具有足够的安全储备。

2)实测结构自振特性与理论分析结果吻合良好，实测自振频率较计算自振频率偏高，说明结构的实际动刚度不小于理论期望值。在各类动荷载作用下，桥面振动位移与加速度均很小，反映出桥跨结构具有较好的整体性和动力性能。

综上所述，本次试验所测试的天津慈海桥在刚度、强度方面符合设计要求，桥梁性能良好，满足城—A级荷载运营要求。

［1］中华人民共和国交通部.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中华人民共和国建设部.CJJ 77—98城市桥梁设计荷载标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［3］尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［4］宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［5］中华人民共和国运输部.JTG/T J21—2011公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

Study on new steel trussed arch bridge com posite structural system by static and dynam ic loading tests

MA Hongliang1，2
(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T ian jin C ihai Bridge is a com posite structure，com posed of a steel trussed arch bridge and a giant wheel.T he main bridge is a three-span(24.47+45.00+24.47)m continuous steel truss girder w ith double-deck structure.Static and dynam ic load ing test were carried ou t to analyze the static and dynam ic perform ance，evaluate the bearing capacity of the bridge，and provide scientific basis for the project acceptance.W ith the theoretic calcu lation，the stress of m ain elements，the deflection of m ain girder and the vibration of the bridge structure were compared and analyzed.T he test results ind icate that the design of the structure is rational，the structu ral rigid ity and the bearing capacity satisfy the design requirem en ts，and the m ain structu re of the bridge is in good condition.

Composite structure system;Steel trussed arch bridge;Static and dynam ic loading test;Finite elem ent analysis

U446.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.01

1003-1995(2015)06-0001-05

(责任审编孟庆伶)

2015-02-27;

2015-03-20

马宏亮(1980—)，男，湖南永顺人，助理研究员。