某人行天桥钢箱梁结构性能检测与分析

2018-11-24刘士洋张学富丁燕平

西华大学学报（自然科学版） 2018年6期

刘士洋，张学富，张斌，丁燕平

(重庆交通大学土木学院，重庆 400074)

钢结构人行天桥作为一种特殊的结构形式，具有施工周期短、跨越能力强、纤细等优点，对其通行能力、承载能力、完成预期使命的能力的要求也越来越高;因此有必要对钢结构人行天桥的的承载能力及安全性进行分析评估，为钢结构人行天桥的运营和管养提供技术依据。

笔者对重庆南坪商圈中心惠工路口新建人行天桥钢箱梁进行了承载能力及基频检测，检测结果可为该桥日后运营阶段的管养提供重要的技术依据。

1 工程概况

为满足商圈中心人车分流需求，在惠工路口新建了人行天桥，天桥上部跨径1.55 m+33.19 m+6.12 m+2.07 m=42.93 m；主梁全长42.93 m；天桥的主梁采用钢箱梁，梁高160 cm，顶板、底板均厚14 mm；天桥技术标准如下：

1)荷载标准：人群荷载：4.2 kN/m2；栏杆推力：2.5 kN/m；栏杆竖向：1.0 kN/m；风压力：0.7 kN/m2；2)地震作用：地震动峰加速度值为0.05g；3)梁底净空高度：>5.1 m；4)主梁高度：1.6 m；5)主桥全宽：7.0 m；净宽：6.5 m；6)纵坡：0.5%单向坡，由桥面标高控制；横坡：双向1.0%。

2 现场静载试验

2.1 现场检测内容和检测方法

2.1.1 试验检测内容

1)静力荷载作用下，试验桥跨钢箱梁测试截面应力(应变)检测；

2)静力荷载作用下，试验桥跨钢箱梁测试截面挠度检测；

3)结构自振特性测试。

2.1.2 检测方法

1)在钢箱梁测试截面的钢材表面粘贴应变片，采用应变片和应变采集器采集数据，测试分辨率为±1με(1×10-6)，应变测点采用一纵一横的单点自补偿组桥方式，根据实测应变以及材料的弹性模量理论值换算测点应力；

2)在钢箱梁测试截面下搭设脚手架作为固定参考点，在脚手架上安装电测位移计测量荷载作用下钢箱梁的挠度，测试分辨率为±0.01 mm；

3)桥面无其他荷载时(恒载状态)，在桥面布设多个拾振器，采用环境激励(脉动)及人工跳跃等方式激振桥梁，利用动载数据采集分析仪进行数据采集和频谱分析，得到桥梁结构的竖向自振频率。

2.2 试验桥跨、测试截面及测点布置

根据桥梁规模以及受力特点，选取该桥的中跨作为试验桥跨进行静力荷载试验。根据结构计算，以试验桥跨在设计人群荷载作用下的最大正、负弯矩截面(编号为Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面)作为测试控制截面，对两截面进行应力(应变)和挠度测试，对Ⅱ-Ⅱ截面进行应力(应变)测试。测试截面布置如图1所示。人行天桥主桥两测试截面的测点布置如图2、图3所示。

2.3 静载试验加载原则

根据文献[16]的规定，静力荷载试验按控制内力、应力或变位等效原则确定。设计标准活荷载产生的最不利效应值及试验荷载效率按下式计算，本次试验为交(竣)工验收荷载试验，ηq宜介于0.85～1.05之间，并等效换算确定试验荷载的大小。

2.4 静载试验加载方式

以设计正常使用荷载作用下测试截面的最大内力(弯矩)作为试验控制内力，依据控制截面内力(弯矩)等效的原则进行布载，本荷载试验在桥面的指定区域安装水箱注水加载，使控制截面的试验荷载效率满足上述加载原则的要求。

图1 人行天桥控制截面位置示意图(单位：cm)

图2 荷载试验I-I截面应变、挠度测点布置示意图

图3 荷载试验Ⅱ-Ⅱ截面应变布置示意图

根据计算及水箱实际施工情况，水箱纵向长度为21.2 m，横向平均宽度为5.54 m，最终平均注水深度为0.596 m，荷载总重700.0 kN。加载图示详见图4，加载试验的荷载效率见表1。

图4 荷载试验水箱加载示意图(单位：cm) 表1 人行天桥跨中静力加载试验计算值及荷载效率表

试验桥跨加载项目设计控制弯矩Mk/(kN·m)试验弯矩Ms/(kN·m)荷载效率η人行桥中跨Ⅰ-Ⅰ截面最大正弯矩3 010.303 135.851.04Ⅱ-Ⅱ截面最大负弯矩-1 392.95-1 393.001.00

表2 人行天桥静载试验荷载分级统计

2.5 加载步骤

为尽量减少环境温度变化对测试结果的影响，本次荷载试验选择在气温变化相对稳定的夜间进行。应变片安装及加载情况见图5。

图5 应变片安装及加载

为保证加载安全，采用分级加载逐步达到试验荷载，按注水荷载的大小分为7级，各级荷载的水深详见表2。因桥面设0.5%的单向纵坡及1%的横坡，加载时在水箱内的不同部位设多个水深观测点，根据测量值换算为注水荷载。为控制试验时间，尽量减少温度漂移的影响，卸载不进行分级。

2.6 静载试验检测结果

2.6.1 挠度检测结果

在各级试验荷载作用下，试验人行桥I-I测试截面的实测挠度(总变形)见表3。表4为试验荷载Ms作用下，I-I截面实测挠度(弹性变形)与计算挠度的比较。图6为I-I测试截面平均实测挠度-荷载关系曲线及与计算值的比较。

表3 各级荷载作用下试验桥跨I-I截面实测挠度(总变形)检测结果(单位：mm)

注：1)挠度向下为正，实测挠度为试验荷载作用下的增量；

2)I-I截面钢箱梁下缘设有3个挠度测点，自东侧向西侧依次编号为部位I-F1～I-F3，详见图2。

表4 试验荷载Ms作用下I-I截面实测挠度(弹性变形)与计算挠度的比较

图6 I-I截面实测挠度均值-荷载关系曲线及与计算值的比较

2.6.2 应力(应变)检测结果

根据应变检测结果及材料的弹性模量换算测点的应力，在各级荷载作用下人行桥应力(应变)测试截面的实测应变(总应变)见表5。表6为试验荷载Ms作用下，各测点实测应力(弹性值)与计算值的比较。图7为I-I截面钢箱梁下缘平均实测应力-荷载关系曲线及与计算值的比较。

表5 分级荷载作用下钢箱梁测试截面应变实测结果(单位：με(1×10-6))

注：1)应力受拉为正，实测应力均为试验荷载作用下的增量；2)钢箱梁钢材的弹性模量Es=2.06×105MPa；3)各测点的部位及编号详见图2、图3。

表6 试验控制荷载Ms作用下钢箱梁测试截面实测应力与计算应力的比较

图7 I-I截面下缘实测应力均值-荷载关系曲线及与计算值的比较

2.7 静载试验检测结果分析

2.7.1 结构刚度

试验荷载作用下，人行天桥试验桥跨测试截面的实测挠度增量小于计算值，挠度校验系数介于0.86～0.90之间；实测最大挠度增量为10.73 mm，为计算跨径(33.19 m)的1/3093，实测活载挠度增量与计算跨径的比值小于规范限值(L/600)。试验荷载卸除后，结构变形恢复正常，最大实测相对残余挠度为9.6%，小于检测规程的限值(20%)。

2.7.2 结构强度

试验荷载作用下，人行天桥试验桥跨测试截面的实测应力小于计算值，应力校验系数介于0.61～0.99之间，I-I截面钢箱梁下缘的实测最大拉应力增量为20.19 MPa，II-II截面钢箱梁下缘的实测最大压应力增量为-9.27 MPa。试验荷载卸除后，结构变形恢复正常，实测最大相对残余应变为8.7%，小于检测规程的限值(20%)。