大跨径异型人行桥内力分析及静载试验研究

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(1.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006；2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006)

引言

太原市跻汾桥全长1 053.2 m，宽7.6 m，分南北两线跨越汾河，两线桥相互交错，通过连杆相连。主桥跨径组成为：39 m+44 m+2×41 m+125 m+56 m+41 m(南线)；41 m+56 m+125 m+2×41 m+44 m+30 m+26 m(北线)。主桥上部为V形刚构-连续梁结构，截面采用分离双钢箱梁截面；主墩采用钢箱截面V形桥墩，在相交处上层桥梁采用钢箱支撑，通过下层桥梁传至基础。该桥基础采用钻孔灌注桩。设计荷载为：人群荷载按照CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》取用，荷载<3.5 kN/m2者取值为3.5 kN/m2[1]；设计安全等级为一级；抗震设防烈度为8度。

该桥采用国内首创的双弧交叉的空间交错桥面，创新性地在125 m跨度的连续梁上采用了2 m高的箱梁截面，高跨比达1/62.5，竖曲线半径为800 m，弧形平面半径为283.5 m[2]。桥梁造型独特，结构和受力复杂，同时由于其区域位置的特殊性，其在实际运营过程中可能遭遇超高强度的人群荷载，因此非常有必要通过对该桥的荷载试验，确定桥梁结构关键部位的受力特性。

1 结构分析计算

该桥南北两线桥相互空间交错布置，通过15对连杆将两侧桥梁连接为相对稳定的整体，一侧桥梁的内力不但受到其自身承担的荷载影响，同时也受到另一侧桥梁的荷载影响，整个结构为一个复杂的空间体系，其理论分析须采用空间杆系有限元进行分析计算。根据桥梁的实际情况，主梁采用空间梁单元，连杆采用杆单元，全桥共使用430个梁单元，30个杆单元，主跨空间有限元模型见图1。

图1 主跨空间有限元模型

经过有限元程序分析，桥梁主跨跨中及主跨侧V构截面分别为最大正弯矩和最大负弯矩控制截面，两截面(南线桥)弯矩影响线如图2所示。由梁截面影响线分析，南北两线桥之间存在一定的相互作用，但作用较小，南线桥上的荷载对北线桥的效应小于总效应的10%，反之亦然。

图2 主梁控制截面弯矩影响线

桥梁8号、14号连杆分别承受最大压力和最大拉力，两连杆轴力影响线如图3所示。由连杆轴力影响线分析，南北两线桥对连杆轴力均有影响，但影响方式不同。对于承受最大压力的8号连杆，荷载在南线桥时作用较大，而荷载在北线桥时作用相对较小，在荷载试验中对8号连杆加载时，可以只在南线桥上施加试验荷载。对于承受最大拉力的14号连杆，南线和北线桥上的荷载对其作用均较大。

图3 连杆轴力影响线

综合以上分析，只有在对14号连杆的最大轴力加载时，需要在两幅桥上同时加载；其他工况下加载时，均可以只在南线桥上施加试验荷载。考虑到14号连杆最大轴力远小于8号连杆的最大轴力，试验中选取了南线桥主梁跨中截面、V构上端斜腿截面和8号连杆作为试验控制截面和控制构件。

2 试验测点布置

2.1 应力测点布置

除选择上述南线桥的主要控制截面和控制构件外，增加第7跨跨中截面和第7号、9号连杆作为附加试验截面和构件。在以上试验截面和构件处进行应力测点布置，如图4所示。

图4 试验截面应力测点布置图

2.2 挠度测点布置

选择南线桥第4跨L/2断面，第5跨(125 m主跨)L/4、L/2、L3/4断面，第6跨L/2断面作为主梁挠度测试断面，在每个测试断面的桥面两侧边缘处分别布置两个挠度测点。

3 荷载设计及加载程序

由于该桥跨径较大，设计均布荷载加载总质量较大，实施上有困难，故采用等代荷载法进行试验荷载设计。因该桥为人行桥，无法使用车辆加载，考虑到该桥跨越汾河，取水较方便，综合分析后，最终选用大型水袋作为加载重物。经计算，确定共使用10个16 t和4个8 t的水袋作为加载重物进行加载，相对集中地布置在各控制截面和构件内力影响线的最大位置附近。试验共分为3个工况，各工况的主要试验内容及荷载效率见表1。

表1 静载试验各加载程序试验荷载效率及相应测试项目

4 试验结果及分析

各工况作用下的箱梁控制截面应力实测结果见表2。主跨跨中截面主梁应力实测最大拉应力为28.76 MPa，在主加载工况(工况2)作用下，该截面校验系数集中在0.90～0.94之间；V构支点截面主梁应力实测最大压应力为28.76 MPa，在主加载工况(工况3)作用下，该截面校验系数集中在0.87～0.93之间。试验荷载作用下，结构应力较小，且与理论计算值较吻合，主梁受力性能较好。

表2 各工况作用下的箱梁控制截面应力测试结果1)

连杆应力实测结果见表3。在各连杆中，8号连杆的应力最大，实测最大应力为35.01 MPa，校验系数主要集中在0.77～0.92之间，连杆实测值与理论值吻合较好，其受力性能满足设计要求。

表3 工况3作用下7号、8号和9号连杆断面应力测试结果1)

工况2作用下各测点的挠度实测结果见表4，纵向挠曲变形见图5。主梁挠度校验系数主要集中在0.91～0.98之间，实测值与理论值较接近；残余变形最大为0.05；最大挠度为103.25 mm，小于按规范计算的L/600=208.33(mm)，说明在试验荷载作用下，该桥在弹性范围内工作，其整体刚度满足设计规范的要求。

表4 工况2荷载作用下各控制断面测点挠度分析结果1)

图5 工况2作用下主梁(下游侧)纵向挠曲图

5 结论

5.1 通过荷载试验分析，该桥主梁及连杆的实测应力、变形均与计算值吻合较好，两者之比基本在0.9左右，说明空间杆系有限元模型的分析精度较好，能够满足该结构的设计分析要求。

5.2 该大跨径异形人行桥两幅桥的结构受力存在一定的相互耦合作用，耦合作用总体较小，一幅桥的荷载在另一幅桥上产生的效应小于其内力总值的10%。

5.3 在试验荷载作用下，该桥的受力和变形性能能够满足设计和规范要求，结构受力性能较好。

参考文献：

[1] CJJ 69—95，城市人行天桥与人行地道技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[2] 郝志强.运用VBA程序对桥梁静载试验加载方案的优化设计[J].山西交通科技，2012(6)：43-45.