超净高钢桁架栈桥原位静载试验

江 强，凌 影，刘有军，邱 斌，张海军

（1.云南省建筑科学研究院，云南 昆明 650223；2.保山市建设工程质量安全监督站，云南 保山 678000）

0 引言

作为大型水电工程施工环节中的重要附属结构设施，钢结构栈桥承担着保证水库大坝能够顺利浇筑的重任。水库大坝的施工高峰期，钢结构栈桥的桥面将通行大量的重型混凝土罐车，因此，钢结构栈桥虽然是附属设施，但却是整个水电站较长建设周期内的关键附属设施。本工程实例经工程 5 方责任主体达成共识，决定对建成后的钢结构栈桥进行设计工况下的承载力原位试验，从而明确钢栈桥的承载能力［1-2］。

该钢栈桥位于云南某在建的大型水电站，布置在泄洪洞进水口和左岸坝肩槽之间，主要由混凝土基础、混凝土立柱、混凝土承台、钢立柱，钢箱梁，钢桁架等组成，功能为水库大坝浇筑时的供料平台，浇筑水库大坝时将会有重型混凝土罐车在该平台上通行并卸料。钢栈桥的全景如图 1 所示。

图1 钢栈桥全景

1 加载方案

经过与钢栈桥设计方的共同讨论及研究，在钢栈桥的桥面满布设计载荷的试验方式工作量巨大，且在现场不具操作性。因此，为了能以最少的试验量反映钢栈桥的承载能力，决定在钢栈桥跨度最大且净高最高的位置，对其中一榀钢桁架进行静载试验。试验钢桁架的总加载量按设计荷载的 1.5 倍考虑，加载总量为 317.5 t。

加载试验采用分级加载的方式进行，加载时为 6 级加载，卸载时为 3 级卸载，每级加卸载达到预定数值时恒载至少 5 min，待变形稳定后再进行下级加载和卸载。加至总荷载大小为 317.5 t 时，至少保持荷载恒定 2 h，待变形稳定后开始卸载。试验加、卸载等级如表 1 及表 2 所示。

表1 加载等级

表2 卸载等级

2 测点布置及测试

整个试验过程中，通过测试桁架跨中挠度及关键桁架杆件的应变值，明确钢栈桥桁架加、卸载过程的变形情况，从而能够掌握钢桁架的承载能力。

由于钢桁架跨中距离地面净高接近 90 m，且距离桁架支座的距离较远。因此，无法采用位移计或百分表等设备测量桁架的跨中挠度。进而，该试验采用无需基座架的非接触式视频测量设备，用于实时测量桁架的跨中挠度。仅需在钢桁架跨中粘贴靶标后，将非接触式测量设备放置于桁架支座位置，即可实现对桁架跨中挠度的实时测量［3-5］。跨中挠度测点布置及现场测量如图 2 、图 3 所示。

图2 跨中挠度测点

图3 跨中挠度现场测试

图 2 所示的钢桁架结构中，端腹杆、端斜杆及跨中的上、下弦杆均为加载过程中受力较大的杆件。因此在图 4 所示的位置沿桁架杆件的纵向及横向粘贴应变片，应变片的现场粘贴如图 5 所示。桁架杆件应变片粘贴完成后，在不受加载影响的另一个桁架位置处粘贴温度补偿片。

图4 应变片布置

图5 应变片现场布置

试验设备及装置均布置完成后，首先进行一定的预加载用于检验仪器设备是否正常工作。确认仪器设备正常工作后，开始正式加载。加载重物采用螺纹钢，在桁架正上方按照预定加载方案推载。现场加载如图 6 所示。

图6 加载现场

3 试验结果

3.1 跨中挠度结果

根据实时加载、卸载工况的测试，桁架跨中挠度时程曲线如图 7 所示。

图7 跨中挠度时程曲线

得出每一级加载及卸载对应的挠度峰值如表 3 及表 4 所示，其中正值代表重力方向，负值代表与重力相反的方向。

表3 加载跨中挠度极值

表4 卸载跨中挠度极值

由图 7 可见，加、卸载时程曲线总体上呈倒 V 形，表明卸载后桁架的变形基本恢复，桁架在既定加、卸载过程中基本保持弹性状态。此外，加、卸载时程曲线并非一条光滑的时程曲线，而是在过程中存在波动，其主要原因在于加、卸载时程曲线受加载及卸载时的实际操作影响所致。同时也表明非接触式变形测试设备具有较高的灵敏度，能够测量结构较为微小的变形。

3.2 应变结果

由跨中挠度试验结果基本能够判定钢栈桥桁架在既定荷载下基本处于弹性工作状态。然而，缺乏判断桁架处于弹性阶段的定量数据。图 8 依次列出了各应变测点在加、卸载过程中的应变时程。

为了更为直观地看出 8 个点的应变极值分布情况，将8 个点每级荷载下的应变极值绘制成曲线，如图 9 所示。

由图 9 可见，在同一荷载等级下应变值分布最大处在 3 和 6，其次是 1、2、7、8，最小处在 5 和 4，其中上悬杆值最小。并且根据测量结果可知，应变最大值为 163.8 με，弹性模量按照 E=2.0×105MPa，应力值为：32.76 MPa。因此加载过程中，钢构桥桁架处于弹性工作状态。

4 有限元分析

为了更进一步地验证试验结果，采用 Mid ascivil 建立钢结构栈桥的有限元模型，其整体有限元模型如图 10 所示。由于桁架桥各杆件均采用对接焊缝连接，因此，有限元建模时，桁架的各杆件均采用梁单元进行模拟，各节点连接处均假设为固结。另外，桁架下部的高支墩主要承受轴向力及由上部荷载不均匀时导致的轴力偏心弯矩。因此，下部的高支墩部分在有限元建模时仍采用梁单元模拟。实际结构中，上部桁架和下部高支墩采用纵向可滑动的支座连接。因此，有限元建模时将上部桁架与下部高支墩的相应节点在竖向及横向进行约束，而在纵向放松约束。桥面板单元与桁架的梁单元由于节点的自由度数不统一，有限元模型统一建立时容易计算出错。因此在建模过程中并不直接建立桥面板单元，而是以初始荷载的形式施加在上部桁架中。桁架栈桥的整体模型及约束关系均建立完毕后，在模型中输入与试验相同的荷载制度，并计算得出每级荷载下的应变极值，如表 5 所示。满载时应变云图及变形图如图 11 及图 12 所示。根据有限元分析结果，应变值较大位置在端斜杆处，较小值在跨中上下悬杆处且构件变形均处于弹性范围内，分析结果与试验结果基本一致。由图 11 及图 12 可见，有限元分析结果比试验结果偏大，其主要原因为原位试验荷载被桁架的周边结构所分担。因此钢桁架受到试验荷载时更具安全性。

图8 应变时程曲线

图9 各测点加载应变极值曲线

图10 有限元模型

表5 有限元分析结果

图11 满载桁架应变云图

5 结论

试验结果表明钢桁架在试验荷载作用下处于弹性工作状态。与有限元分析结果对比后可得，钢桁架承载能力有较大富余，安全系数较高，该种钢结构栈桥的结构形式可在类似的水利建设工程中推广。

试验中采用的非接触式测量方法可推广应用到相同或相似的工程试验中，解决超净高工程结构原位挠度不便测量的问题。