大跨径多箱室波折钢腹板PC 部分斜拉桥荷载试验分析

2020-06-17苗战涛

江西建材 2020年5期

苗战涛

1.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450006；2.河南郑大工程检测咨询有限公司，河南郑州 450001

0 引言

使用波折钢腹板代替传统混凝土腹板作为一种新型截面形式，其发展由期初的钢板代替腹板至当前的波折钢代替腹板［1］，其优势逐渐展现出来，具有较大的发展空间；部分斜拉桥是介于传统的连续梁桥与常规斜拉桥之间。波折钢腹板部分斜拉桥综合二者优点，具有造型美观，经济，自重轻，跨越能力强、施工周期短等特点，同时又解决了腹板开裂，预应力损失等问题，是一种较为新颖的结构形式，丰富了桥梁设计的结构形式，在特定跨径范围中具有较大的发展潜力。

目前国内外学者针对波折钢腹板箱梁进行了大量的相关研究，主要聚集在单箱单室截面，就结构形式而言，主要集中在简支梁、连续梁和连续刚构等结构形式，而针对斜拉桥的相关研究相对较少。近年来波折钢腹板部分斜拉桥逐渐发展起来，跨径也逐渐增大，如2015 年通车的朝阳大桥，主跨150m，2016年通车的朝阳沟水库特大桥，主跨188m，2018 年通车的运宝黄河大桥，主跨200m。本文针对多室箱波折钢腹板组合箱梁部分斜拉桥的静力性能试验进行了研究和理论分析，可为同类桥梁的设计、施工及服役期的健康监测提供重要的参考和应用价值。

1 工程概况

朝阳沟特大桥位于郑州境316 省道上，上跨朝阳沟水库，桥梁全长484.8m，设计跨径为58m+118m+188m+108m。结构体系为多箱室波折钢腹板部分斜拉桥，主梁为单箱多室截面，桥梁全宽35.0m，跨中箱梁梁高为4.5m，墩顶梁高7.0m。斜拉索为双索面，全桥共设置52 对斜拉索，梁上索距4.8m，塔上索距1.0m［1］，索梁锚固处设置钢桁架式横梁。

2 静载试验

2.1 主要材料

箱梁顶、底板均采用标号C55 混凝土，主塔采用C50 混凝土，波折钢腹板采用Q345D 钢材，箱梁预应力采用公称直径15.2mm的钢绞线，公称面积140 mm2；体内束张拉控制应力为1395 MPa，体外束张拉控制应力为1209MPa；成品斜拉索采用表面环氧涂层钢绞线。

2.2 测点布置

依据结构静力计算分析结果，限于篇幅本文仅选取188m和108m 跨进行分析，测试截面如图1 所示，箱梁应变测点如图2、图3 所示。

图1 桥梁测试截面图（单位：cm）

图2 Z1 截面箱梁应力测点布置图

图3 Z3 截面应力测点布置图

图4 横向加载位置示意图

2.3 加载方案

本试验采用单车总重（车自重+货物自重）400 kN 的载重汽车进行加载，分以下4 个加载工况：

（1）工况1：188m 跨最大正弯矩横向对称加载；（2）工况2：188m 跨跨最大正弯矩横向偏心加载；（3）工况3：108m 跨跨最大正弯矩横向对称加载；（4）工况4：108m 跨跨最大正弯矩横向偏心加载。各加载工况的纵向加载位置如图1 所示，横向加载位置如图4 所示。

3 静载试验结果分析

3.1 箱梁剪力滞分析［2］

为研究波折钢箱梁的剪力滞效应，利用截面对称性，适当加密测点。由图5、图6 可知，在工况1 荷载对称作用下，Z1截面顶板混凝土剪力滞效应明显，边腹板、次边腹板和中腹板处顶板实测剪力滞系数分别为0.36、1.02、1.22，中腹板处顶板剪力滞系数较其它位置大些，剪力滞系数变化趋势与理论趋势基本相同，且略小于理论值，而底板混凝土剪力滞效应则不太明显。

图5 工况1 Z1 截面顶板剪力滞系数

图6 工况1 Z1 截面底板剪力滞系数

由图7、图8 可知，在工况3 荷载对称作用下，Z3 截面顶板混凝土剪力滞效应较为明显，各腹板处顶板实测剪力滞系数在0.85～1.28间，其中次边板处实测最大剪力滞系数最大为1.28，次边板处剪力滞系数大于其它位置处剪力滞系数［4］，剪力滞系数变化趋势与理论趋势基本相同，且略小于理论值，而底板剪力滞效应则不太明显。

图7 工况3 Z4 截面顶板剪力滞系数

图8 工况3 Z4 截面底板剪力滞系数

3.2 偏载系数

Z1 截面在横向偏心荷载作用下轴向应力偏载系数测试结果如图9 所示，Z1 截面顶板的实测偏载系数为1.41，最大值出现于4#测点位置，即偏载加载侧箱梁边腹板与顶板相交点处，计算结果与理论分析结果基本相同；Z1 截面的底板实测偏载系数为1.58，最大值出现于15#测点位置为偏载加载侧箱梁边腹板与底板相交点处。

图9 横向偏心荷载下Z1 截面顶、底板轴向应力偏载系数

Z3 截面在偏心荷载作用下轴向应力偏载系数测试结果如图10 所示，Z3 截面顶板实测偏载系数为1.22，最大值出现于1#测点位置，计算结果与理论分析结果基本相同；Z3 截面的底板实测偏载系数为1.16，最大值出现于12#测点位置，为偏载加载侧箱梁边腹板与底板相交点处，计算结果与理论分析结果基本相同。

图10 横向偏心荷载作用下Z4 截面顶、底板轴向应力偏载系数

总体而言，相比活载作用下偏载系数的经验系数取值偏大，波折钢腹板箱梁的轴向应力偏载效应比设计考虑的偏载效应更加显著，在设计时应适当放大偏载系数的取值，增强结构整体稳定性。

3.3 波折钢腹板剪力分布

为了研究波折钢腹板剪力分布规律，选取Z2 截面的5 个钢腹板，沿梁高方向在每个腹板表面布置3 组直角应变花（每组分别为水平向、竖直方向和45 度方向布置）以监测其剪应力，测点布置如图3 所示。

图11 工况1 各腹板相对中腹板剪应力比例

图12 工况2 各腹板相对中腹板剪应力比例

由图11 可以看出，在对称荷载（工况1）作用下，各个钢腹板中间测定剪力分配的比较均匀，而上下部测点受顶底板混凝土钢混结合受力复杂的影响剪力均匀性较差，验证了波折钢腹板剪力分布的设计理念；由图12 可以看出在偏心荷载（工况2）作用下，箱梁的5 片钢腹板承受的最大剪应力明显不同，与对称加载相比，距离加载点近的一侧的钢腹板承受的最大剪应力增加，距离加载点远的一侧钢腹板承受的最大剪应力减小，1#腹板（近加载侧）到5#腹板（远加载侧）的最大剪应力基本上呈线性变化，说明波折钢腹板在横向偏心荷载作用下，剪力的偏载系数较大，远大于设计考虑的经验值，类似桥梁的设计应引起重视。