某钢框架人行天桥承载能力检测与评估研究

■褚福鹏

(1.福建省建筑科学研究院有限责任公司；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350108)

1 工程背景

某人行天桥主桥为纵向三跨、横向两榀的钢框架结构，纵向跨径布置为5.25m+28.40m+5.25m，桥面横向总宽6.50m。主梁工字钢高1.20m，主梁间设间距1.95m的 工字型横梁，梁高34.5cm；横梁间设间距1.0m的[型截面小纵梁，梁高11.5cm。天桥梯道梁亦采用工字钢梁，每侧梯道分四个梯梁段，各梯梁段均采用简支结构形式，梯道设一个悬挑段休息平台。节点采用高强螺栓连接或直接焊接，所用高强螺栓等级为10.9级。下部结构均为钢管混凝土柱式墩，主墩直径为0.53m，梯道墩直径为0.33m。桥面板采用压型钢板混凝土组合板，压型钢板波高7.3cm，波宽14cm，板厚1.4mm。桥面铺面砖，栏杆为1.16m高钢栅式。设计荷载：人群荷载4.5kPa。

主桥主梁截面及节点布置详见图1。

图1 主桥主梁截面及节点布置示意图(单位：mm)

2 桥梁缺损状况检查评定

2.1 桥梁外观缺损状况检查结果

(1)桥面系检查：全桥钢栏杆局部脱漆、生锈；全桥共四个钢路灯杆，均存在脱漆锈蚀；广告牌钢支架、螺栓生锈。

(2)上部结构检查：主桥、梯道的钢结构主梁、横梁、纵梁油漆均变色起皮、局部脱漆生锈。主梁与墩柱连接节点板、横梁与纵梁连接节点板及螺栓均锈蚀较严重。

(3)下部结构检查：钢管混凝土墩柱表面油漆均变色起皮、局部脱漆生锈。上部结构未见基础不均匀沉降引起的明显变形、开裂等异常现象，墩柱周边地面未见明显沉陷，基础工作状况未见明显异常。

2.2 桥梁技术状况评定

按规范要求对桥梁进行BCI 计算、完好状况评估，结果见表1，该钢框架人行天桥完好状态为B级，即该桥处于良好状态。

表1 桥梁完好状况评估结果

3 桥梁荷载试验

3.1 桥梁静载试验及分析

(1)试验荷载

试验荷载采用预制的混凝土块，混凝土块尺寸均为0.8m×0.8m×1.6m，重 25.6kN。

(2)加载工况及荷载效率

试验所需加载预制块布置，采用有限元模型计算分析而得。试验共2个工况。依据规范要求的试验荷载效率进行加载，试验加载及测试内容见表2。各工况加载布置详见图2、图3所示。

表2 各工况加载及测试内容汇总表

(3)测点布置及编号

主梁挠度检测仪器为百分表，应变检测仪器为振弦式应变计。试验测试控制截面为主桥中跨跨中、主桥中跨固结端，主桥中跨跨中编号为1号测试截面、主桥中跨固结端为2号测试截面。非加载侧主梁挠度测点编为1号、加载侧主梁挠度测点编为2号。加载侧主梁下翼缘左侧应变为1测点、右侧应变为2测点。

（4）试验结果

试验应变测试结果详见表3，挠度测试结果详见表4。

测试结果表明，所测最大拉应变为105με，最大压应变为-110με，应变校验系数在0.27～0.65之间，最大相对残余应变为1.12%；所测最大挠度为7.34mm，挠度校验系数在0.52～0.72之间，最大相对残余变形为9.49%。

图2 工况一加载布置图(单位：cm)

图3 工况二加载布置图(单位：cm)

表3 应变测试结果汇总表

表4 挠度测试结果汇总表

(5)静载试验结果分析

根据测试结果，所测应变与变形校验系数均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中规定的小于1.0的要求；相对残余应变与变形均满足规范中规定的不大于20%的要求，桥梁各部件工作状况未见明显异常。表明结构具有一定安全储备。

3.2 桥梁自振特性试验及分析

(1)测点布置在试验跨均匀布置3个测试传感器，详见图4。根据理论结果，试验中采样频率设置为100Hz，共采样30min。

(2)试验结果与分析

实测与理论计算的竖向第一阶振型见图5、图6，自振频率见表5。试验结果表明：桥梁实测基频为4.89Hz，理论基频为3.56Hz，均满足《城市人行天桥与人行地道技术规范》规定的人行天桥竖向自振频率不应小于3Hz的要求。

图4 测点布置示意图

图5 实测竖向一阶振型图

图6 理论竖向一阶振型图

表5 桥梁竖向自振频率实测值与理论值汇总表

4 桥梁承载能力检算

根据本桥的结构布置特点及截面形式，按规范对钢框架主跨主梁强度、跨中拼接节点及梁端约束节点强度、整体稳定性、局部稳定性和荷载作用下的变形进行检算。

其中主桥主梁部分拼接接头采用全熔透对接焊缝拼接，经检测全熔透对接焊缝质量等级均为二级，即焊缝等强与母材一致，无需对焊缝强度进行检算。

4.1 检算参数

结构重要性系数γ0均取1.0。

检算荷载：结构自重、人群荷载4.5kPa。

材料参数：钢材强度为Q235级；节点高强度连接螺栓为10.9级。即钢材抗拉、抗压、抗弯强度取f=215MPa(t≤16mm)，f=205MPa(t＞16～40mm)， 抗剪强度 fv=125MPa(t≤16mm)，fv=120MPa(t≤16mm)；C 级 螺 栓 抗 拉 ftb=170MPa，抗剪 fvb=140MPa，承压 fcb=305MPa；高强螺栓钢材抗拉强度为1000MPa，屈服强度为900MPa；按承压型高强螺栓计算，螺栓抗拉ftb=500MPa，抗剪fvb=500MPa，承压fcb=500MPa。

4.2 检算系数

桥梁静载试验中控制截面最大挠度(应变)的校验系数为0.65，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》，确定检算系数Z2为1.08。

4.3 结构分析模型

采用MIDAS/Civil桥梁计算分析软件进行建模，有限元模型共505个结点、532个梁单元、384个板单元，钢材均采用Q235级，混凝土桥面板。有限元模型见图7。

图7 结构分析有限元模型

4.4 检算结果

(1)主梁强度检算

主跨跨中、主跨梁端最不利抗弯截面，主跨梁端最不利抗剪截面强度检算结果详见表6。

表6 主梁强度检算结果汇总表

(2)节点强度检算结果

对节点板螺栓摩擦承载力、承压承载力、抗剪承载力，节点板、翼缘和腹板抗剪承载力进行检算，结果见表7。

表7 节点强度检算结果汇总表

(3)整体稳定性检算

采用压型钢板混凝土组合桥面板，框架梁与桥面板有连接，并且在主梁上翼缘、下翼缘设有侧向支撑横梁。根据《钢结构设计规范》，可不计算主梁的整体稳定性。

(4)局部稳定性检算

对桥梁跨中截面和梁端截面进行腹板、受压翼缘稳定性计算。

①腹板稳定性检算

根据《钢结构设计规范》，跨中截面：

梁端截面：

主梁腹板稳定性满足规范要求。

②受压翼缘稳定性检算

根据《钢结构设计规范》，跨中截面和梁端截面受压翼缘：

主梁受压翼缘稳定性满足规范要求。

(5)荷载作用下的变形检算

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》，该桥梁由人群荷载计算的最大竖向挠度容许值[f]＝L/600（L为计算跨径）。

计算结果表明该桥梁主跨挠度为15.48mm＜Z2[f]＝51.12mm，故主桥结构挠度验算满足要求。

5 检测与评估结果分析

综合桥梁缺损状况检查评定、荷载试验、承载能力检算结果，检测结果表明：该钢框架人行天桥承载能力满足设计荷载(人群荷载4.5kPa)作用下的安全使用要求，但桥梁部分部件出现锈蚀等缺损，需要对缺损部件进行及时的小修保养，确保桥梁工程的使用耐久性。

6 结论

(1)通过对该钢框架人行天桥进行承载能力检测与评估，准确把握了桥梁的承载安全状况及结构现状工作状况，为该桥梁的安全运营、合理维护提供了支撑；

(2)该桥的静载试验、自振特性试验为该类型桥梁的进一步研究、设计、改进等积累了基础数据；

(3)本文的桥梁承载能力检测与评估步骤、检算方法可以为同类桥梁的检测评估提供借鉴。