双层钢桁架梁桥静力模型试验研究

成浩嘉，陈永健

（福州大学，福建 福州 350000）

1 双层钢桁架桥梁发展概况

进入21世纪后，随着全球经济的大发展，桥梁越来越宽，2片主桁的桥梁结构越来越难以满足社会发展对桥梁功能的要求，采用3片主桁的桥梁已经开始出现；桥梁的结构形式也越来越多样化，如连续钢桁梁桥、连续钢桁梁拱桥、连续钢桁梁斜拉桥等大跨度钢桁梁桥在我国铁路中得到广泛应用。

2 双层钢桁架桥梁静力模拟试验

2.1 试验模型设计

试验采用1∶5缩尺模型，取用某桥的一段主墩及邻跨的节段建立模型。模型缩尺后的示意图如图1所示。

图1 模型俯视图

2.2 试验加载区域

此次试验采用力控制加载的方式对模型施加竖向荷载。考虑到模型尺寸过大且实验室条件有限，对模型直接施加整体的均布荷载比较麻烦，因此采用对主桁上弦节点区域施加集中荷载的方式来均布荷载。由于主墩区域构造及受力较为复杂，且主墩处腹杆为变高度区域最长腹杆，其稳定性对整体结构的受力至关重要。因此，选择主墩区域为加载区域，对主墩处上弦杆的4个节点进行同步加载。加载示意图如图2所示。

2.3 试验数据分析

图2 加载示意图

图3 上弦测点荷载-位移图

图4 下弦测点荷载-位移图

（1）位移数据处理。整个模型在节点及支座处共布置了20个位移测点，每个测点设置1个竖向位移计测量结构竖向位移。由于采用对称加载，因此只选取其中一片主桁进行数据分析，同时在实际数据处理时也可根据2片主桁的测试结果进行相互修正。结构上下弦杆各位移测点的荷载-位移图如图3、图4所示。由图3、图4可知，各位移测点的荷载-位移均表现出较好的线性关系，图像基本都近似于一条直线，未出现任何进入塑性阶段的突变。这表明在试验加载过程中，加载量及加载速度控制较好，且结构一直处于弹性阶段。对比各位移测点的荷载-位移曲线可知，结构上弦测点中，测点2（加载点处）的位移随荷载增长的幅度最大，位于加载点处的测点1由于受边界支座的影响，其位移增长幅度小于测点2，其他测点则随着距离加载点越远，其位移增长幅度也越小但相邻测点间减小的幅度相差不大。说明主桁结构在纵向上传力比较均匀，结构连续性较好；结构下弦测点同样表现为距离加载点越近，位移增长幅度就越大，其中测点13距加载点最近，其位移增长幅度最大。

（2）应变数据处理。第一，上弦杆。通过对试验数据的初步分析可知，在荷载作用下，上弦杆A2A3受力较大，其他上弦杆均受力较小，且上弦杆A2A3位于主墩支座上方，受力复杂，因此对上弦杆A2A3进行分析。荷载作用下上弦杆A2A3上下缘轴向应变测点的荷载-应变图如图5所示。图5中给出应变实测值和理论值，应变以受拉为正，受压为负。由图5可知，上弦杆A2A3应变测点在各工况下的荷载-应变基本呈现出较好的线性关系，未出现任何进入塑性阶段的突变，表明在试验加载过程中结构一直处于弹性阶段。其中，杆件下缘应变测点在500kN之后，其荷载-位移曲线开始趋向平缓，但这并不代表杆件进入塑性阶段，结合整体数据可知，此时杆件应该仍处于弹性阶段。杆件在加载到最大加载级（600kN）时，上缘应变实测值为-12.95µε，下缘应变实测值为75.13µε。在荷载作用下，上弦杆A2A3杆中为上缘受压、下缘受拉，上缘测点实测应力值为2.67MPa，下缘测点实测应力值为15.48MPa，可知下缘拉应力要远大于上缘压应力，表明上弦杆除受轴向力外还受到较大的弯矩应力的影响，但总体杆件的应力水平偏低，小于材料的屈服强度345MPa。

图5 荷载-应变图

第二，下弦杆。对主墩处下弦杆E1E2和E2E3应变数据进行分析。下弦杆E1E2和E2E3应变测点的荷载-应变呈现出较好的线性关系，并没有出现进入塑性阶段的突变，因此判断结构一直处于弹性阶段。杆件均表现为上缘受拉，下缘受压的受力形式，而且上下缘应变相差很大，这是因为下弦杆除受轴向力外，还受到主墩负弯矩的影响。下弦杆E1E2上缘实测应变值为59.61µε，下缘实测应变值为-54.76µε；下弦杆E2E3上缘实测应变值为37.91µε，下缘实测应变值为-55.19µε。在荷载作用下，下弦杆E1E2和E2E3杆中受力形式表现为上缘受拉，下缘受压且上下缘相差较大，说明受主墩处负弯矩影响较大。实测最大应力为12.28MPa，位于下弦杆E1E2上缘测点处，实测最大压应力为-11.37MPa，位于下弦杆E2E3下缘测点处。可见杆件实测应力不大，均小于材料的屈服强度345MPa。

第三，腹杆。在各工况作用下，腹杆A2E2和腹杆A3E2均处于受压状态，应变测点的荷载-应变均呈现出非常好的线性关系，应变随荷载线性递增，图像几乎是一条直线，未出现任何进入塑性阶段的突变，表明杆件一直处于弹性阶段。腹杆A2E2左缘实测应变为-272.14µε，右缘实测应变为-239.42µε；腹杆A3E2左缘实测应变为-302.83µε，右缘实测应变为-374.03µε。在各工况最大加载级作用下，腹杆A2E2和腹杆A3E2以受压为主且应力水平较高，腹杆左右缘应力往往不同，但相差较小，表明腹杆所受主墩负弯矩的影响比上下弦杆小。实测最大压应力为-77.05MPa，位于腹杆A3E2右缘处。可见，腹杆实测应力仍然小于材料的屈服强度345MPa。由于在主墩工况作用下，主墩处腹杆应力较大，因此对主墩处腹杆A2E2和A3E2进行稳定性验算，选取腹杆在荷载下最大实测应力进行验算，腹杆A2E2取左缘应力值-56.06MPa，腹杆A3E2取右缘应力值-77.05MPa。按轴向受压稳定对腹杆进行验算，根据《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091—2017），稳定性计算公式如下：

式中：N为计算轴向力；为毛截面积（N/Am表示杆件应力）；为中心受压杆件的容许应力折减系数，可根据钢种、截面形状及验算所对的轴按规范规定取值，腹杆A2E2取为0.762，腹杆A3E2取为0.757；为钢材轴向容许应力，对试验所用Q345B钢，按规范取为200MPa。

将腹杆实测应力代入可得：

因此，主墩处腹杆的轴向稳定性满足要求。

3 总结

综上所述，在荷载作用下，结构实测位移和应变均与荷载保持较好的线性关系，说明结构在试验过程中一直处于弹性阶段。结构的竖向变形很小，最大仅为2.16mm，位于加载点处，说明结构在主墩处具有较大的竖向刚度。主墩处上下弦杆应力较小，但杆件上下缘应力相差较大，表明主墩处上下弦杆受弯矩应力影响较大；而主墩处腹杆应力较大但左右缘应力相差较小，表明腹杆受弯矩应力影响较小。主墩处杆件最大应力为-77.05MPa，位于腹杆A3E2右缘测点处，远小于材料的屈服强度345MPa，表明结构在主墩处具有较大的刚度和安全储备。同时，对主墩处腹杆的稳定性验算可知，主墩处腹杆满足轴向受压稳定的要求。