钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥静载试验研究

曾勇 李勇岐 余滔 敖付勇 何孟黎 何孟松

1.重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 400074

2.重庆交通大学山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心 400074

3.重庆市轨道交通（集团）有限公司 400042

引言

钢-混组合结构是指由钢材与混凝土材料构成的结构或构件，在荷载作用下可以共同受力、变形协调的结构［1］。该结构充分发挥了钢材和混凝土的材料性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、构件截面尺寸小、施工快捷方便等优点［2］。与钢筋混凝土结构相比，钢-混组合结构可以减小构件尺寸，减轻结构重量，便于安装，缩短工期。与钢结构相比，组合结构可以减少用钢量，增加刚度，提高结构的稳定性和完整性，提高结构的抗震性能［3］。钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥是由V形墩（V形墩）和组合连续梁墩梁固结形成的新型结构。它既有组合连续梁的受力特征，又有V腿刚构桥的受力特征。钢-混组合连续梁桥可以很多跨一联甚至全桥连续，这样既能保证行车的平顺性又可以节约设置桥梁伸缩缝的费用。

在桥梁的实际使用中，桥梁可能会受到荷载、环境、结构缺陷等因素的影响，导致结构性能的下降［4］。为了保证连续刚构桥在运营阶段的稳定性，有必要通过结构现场检测，确定既有结构的现状以及在设计荷载作用下结构是否安全可靠［5］。在桥梁运营阶段常采用荷载试验的方法评估桥梁的实际承载能力。对于一些常见桥型已有许多荷载试验的研究，如刘兵伟［6］等对大跨连续刚构桥进行荷载试验提出了相应维修加固意见；王雅俊［7］对双索面斜拉桥进行了荷载试验研究为斜拉桥的长期健康监测提供了一个较为准确的理论参考模型；白俊英［8］对桥梁荷载试验的加卸载方式进行改进提出了准静态荷载试验快速评估方法。现阶段对于钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥的荷载试验研究较少。本文参考某钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥，通过静力加载试验，研究受力特性。

1 工程概况

某已建成钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥，其跨度为20m＋24m＋34m＋56m＋34m，立面布置如图1所示。该桥桥面板宽8.9m，桥面净宽8m，设计荷载为公路Ⅱ级，双车道布载。该桥主梁全桥结构连续，仅在桥台设置伸缩缝，行车平顺性好。主梁截面为双主梁（开口π型）钢-混组合截面，主梁断面如图2所示。下部结构的P1、P2桥墩为竖直墩，墩梁之间设置支座，P3、P4墩采用V形墩，并用高强螺栓与主梁固结。该桥的实桥照片如图3所示。钢梁为耐候钢，该桥是目前唯一建成的钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥。

图2 桥梁典型断面（单位：cm）Fig.2 Bridge typical section（unit：cm）

图3 实桥照片Fig.3 Real bridge photo

该桥桥面板为预制钢筋混凝土结构，中心线位置板厚约为0.3m，在与栓钉结合位置板厚为0.35m，单块预制板横桥向为预留了剪力钉群孔的一块整板。预制板横桥向长8.9m，纵桥向宽3m。钢主梁标准梁高1m，在V腿墩顶附近主梁变高到1.6m，钢梁下翼缘宽度从0.6m变宽到0.8m，主要采用工字形截面，并带有外封板，如图4所示。

图4 V腿一般构造（单位：m）Fig.4 V-leg general structural diagram（unit：m）

2 试验方案

2.1 等效荷载

首先对实桥进行外观检查，判断其是否有明显结构缺陷，检测其结构尺寸是否符合设计要求、螺栓连接等是否满足要求。这些条件都满足时，按照当前《公路桥梁荷载试验规程》对其进行荷载试验。主要加载工况的静力荷载效率系数位于0.86～0.96之间，满足规范。以车辆荷载作为等效荷载加载手段，如图5所示。车型参数：前轴6t；中后轴共重21t；a＝3.5m；b＝1.4m。车辆横向加载位置，按横向最不利情况考虑，即偏载工况，如图6所示。

图5 车型示意Fig.5 Vehicle schematics

图6 车辆荷载横向布置（单位：cm）Fig.6 Diagram of vehicle load lateral arrangement（unit：cm）

2.2 测点布设

根据有限元计算模型得到的内力包络图，取测试断面（J1、J2、J3、J4）如图1所示，荷载效率系数见表1。车辆的纵向布置位置根据影响线加载计算，车辆荷载纵向布置如图7所示。

表1 各试验工况荷载效率Tab.1 Load efficiency under each test condition

图7 纵向布载示意（单位：m）Fig.7 Longitudinal loading schematics（unit：m）

横桥向应力、纵向挠度测点如图8所示，分别布置在同一个截面的左右两侧。

图8 测点布置示意Fig.8 Location of measuring point

对结构进行试验时，先预压、消除非弹性变形，然后分级加载，分级卸载；观测并记录加载过程中相应的应力和挠度数据。

3 有限元建模

本文利用Midas FEA建立实体模型，考虑栓钉的模拟。其中桥面板采用实体单元进行模拟，钢梁和V腿墩则采用板单元进行模拟，全桥实体模型如图9所示。

图9 全桥实体模型Fig.9 Entire bridge entity model

模拟栓钉时，首先保证桥面板与主梁结合位置的网格划分一一对应，但实体单元和板单元之间留有极小的间距，此时，可选取“最近的连接”使得三维网格可以和二维网格在选中的位置批量连接。连接方式采用弹性连接单元，此时可赋予连接单元不同向的刚度去约束节点。V腿墩底部和工字梁底部边界均采用刚性连接的方式。

4 试验结果分析

按照实际车辆所在位置，用任意点荷载模拟车轮局部荷载，进行加载计算。对比荷载作用下的实桥挠度与有限元计算挠度，同时对比钢梁的应力。不同荷载下全桥实测挠度与计算挠度对比如图10所示。

图10 实测挠度与计算挠度值对比Fig.10 Comparison between measured deflection value and calculated deflection value

经过实桥试验，测得该桥实际加载时，V腿墩顶挠度不同于竖直墩，在受到活载作用下该处位移不为0，说明V腿会参与到主梁受力中，此时V腿的刚度会影响成桥的挠度。有限元计算挠度与实桥测试较为吻合，说明本文计算模型对实桥挠度的模拟较好。

桥梁加载试验中，各控制截面实测挠度值均小于计算值，挠度验算系数在0.75～0.95之间的合理范围。实测挠度最大为13.65mm，是所在跨跨径的1/2344。在全部卸载后，控制测点的最大实测相对残余变形值为17.1%，小于规范限值。试验过程中发现在活载作用下，钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥的V腿墩顶存在下挠现象。

J1～J4截面各测点应变如图11所示。分析各截面钢梁应变，在荷载作用下，钢梁的J1、J2、J3截面出现全截面受拉。对比J3、J4截面中的应变片1和6、7和12，这些位置可以看见偏载作用下钢主梁上翼缘板在主梁内侧和外侧大小不等，实际在有限元中也体现了这个区别，说明Midas FEA对该桥应力的模拟较好。

图11 钢梁应变Fig.11 Strain of steel beam

在试验设计荷载作用下，钢梁的应力校验系数均位于0.75～0.95之间，最大相对残余应变值为15.0%，符合规范的要求；实测混凝土桥面拉压应变很小，混凝土桥面总应力校验系数分布在0.45～0.95之间，最大相对残余应变值为15.4%，实测应力不大于计算应力且满足规范要求，混凝土桥面板强度满足要求。

5 结语

本文针对某钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥，对试验桥跨结构进行静载试验，荷载效率为0.86～0.96，试验过程中未有异常现象，满足规范要求。在试验荷载作用下，各控制截面实测挠度值均小于计算值，挠度验算系数在0.75～0.95之间的合理范围；钢梁的应力校验系数均位于0.75～0.95之间，混凝土桥面总应力校验系数分布在0.45～0.95之间。表明试验桥梁受力正常，能够达到设计要求。

通过实桥试验，发现在活载作用下，钢-混组合V腿连续刚构桥的V墩墩顶会有下挠；钢梁应力呈现较好的规律，但通过混凝土板的应力水平评定桥面板与主梁的结合程度却有一定难度。