基于静载试验钢-混凝土组合箱梁斜拉桥力学特性分析

■陈彰发

（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州 350013）

钢-混凝土组合箱梁通过保留受压区的混凝土翼板，受拉区只有布置钢梁，二者之间通过抗剪连接件组合成整体，这样既不会产生混凝土受拉开裂的问题， 也不会因钢梁受压侧刚度较弱而发生失稳，同时还具备较高的刚度和较轻的自重。 钢-混凝土组合箱梁因其具良好的抗扭性能， 在大跨径的斜拉桥得到广泛的应用。目前国内学者已在钢-混凝土组合梁桥理论与计算[1-2]、抗剪连接性能[3-4]等方面作了诸多工作。聂建国等[5]通过精细模型和杆系模型对比分析，证明两者计算结果吻合良好，杆系模型具有良好的准确度和适用性。 鉴于目前较缺乏针对钢-混凝土组合箱梁斜拉桥整体结构基本力学行为的试验数据， 本研究从成桥荷载试验角度，对钢-混凝土组合箱梁斜拉桥的结构性能进行分析， 为今后此类桥梁设计及进行荷载试验提供参考。

1 桥梁概况

某跨海大桥主桥， 采用全封闭钢-混凝土组合箱梁、 门型索塔斜拉桥结构， 跨径布置为147.5+296+147.5=591 m，边中跨比为0.498∶1，塔的高跨比为0.456∶1。 主桥中跨位于R=16 000 m 的竖曲线范围内，与两侧边跨顺接（纵坡2.5%）。 采用三跨半漂浮体系，空间密索型布置；索塔与主梁间纵向设置粘滞限位阻尼约束装置， 支座横向约束并设钢阻尼。 主梁：采用抗风性能优异的扁平流线形全封闭钢叠合梁。 所采用的组合箱梁主要轮廓尺寸为：含封嘴全宽约37.5 m，不含封嘴顶板宽35 m，中心线处高度3.5 m（不含铺装）。 索塔塔柱：索塔采用门形，分为塔座、下塔柱、下横梁、上塔柱和上横梁等5 个部分。 设计时速80 km/h，设计荷载：公路-Ⅰ级，行车道数：双向六车道。 该桥主桥立面、平面简图见图1。

图1 主桥立面、平面图

2 静力加载试验

2.1 模型建立

采用midas Civil 对大桥进行建模计算， 斜拉索采用桁架单元模拟，横梁及塔、墩等构件均采用梁单元模拟，主梁与拉索间的连接采用刚臂的方式实现[6]。 其中组合箱梁截面通过midas Civil 的SPC 计算将混凝土部分换算为钢材部分[7]；拉索截面通过拉索的钢丝数量和直径， 面积等效为一个圆截面。桩基础边界条件采用Winker 地基梁模拟法（m 法）计算弹性支撑的水平刚度[8]。 设计活载采用公路-Ⅰ级，双向八车道（根据桥面净宽确定）进行活载内力计算。 根据桥跨结构的活载内力包络图和位移包络图， 确定结构的最大弯矩截面和最大挠度截面（图2～5）。

图2 主桥主梁横断面图

图3 主桥立面及现场加载照片

图4 有限元模型图

2.2 测试截面确定

图5 活载内力包络图

根据模型活载内力包络图确定最大正 （负）弯矩截面，从而确定应变测试截面；通过变形包络图确定最大变形截面，从而确定变形测试截面；根据活载索力包络图确定最大索力拉索。 由于组合桥型的拉索作用，主梁最大正弯矩截面与最大挠度截面不一致，故挠度及应变工况分开进行。 应变截面测试工况需进行挠度测量进行加载控制。 相应测试截面位置见表1 及图6 。

图6 主桥立面、平面图

2.3 测试工况

根据测试项目分为16 个小工况， 以主梁工况为主进行工况合并为8 个大工况。 各工况荷载效率见表2。

表2 静力加载试验计算值及荷载效率

2.4 测点布置

2.4.1 应变测点布置

斜拉桥的应变测试结果反映了桥梁在荷载作用下发生的内力或应力变化大小，也是桥梁静载试验的主要测试数据之一。 斜拉桥共设置了120 个应变测点。 其中91# 塔共12 个，主梁共108 个，详见图7～9。 本次混凝土构件应变采用振弦式应变计进行测试， 钢结构构件应变采用应变片测试。

图7 应变测试截面布置图

图8 B、C、E 主梁截面应变测点布置图

图9 H 塔截面应变测点布置图

2.4.2 变形测点布置

斜拉桥的变形观测是静载试验的最主要观测对象之一，因此为了充分反映桥梁结构的静载试验几何变形量， 斜拉桥共设置了54 个变形测点。 其中，主梁挠度上下游及中线各14 个；索塔纵向位移共4 个。 具体布置见图10、11。

图10 挠度测点纵向布置图

2.5 测试方法

图11 挠度测点横向布置图

本次静力荷载试验的主要观测项目及量测方法为：（1）挠度：对于各挠度测点，准备阶段在梁底安装莱卡小棱镜，试验时采用莱卡全站仪测量。 （2）应变：对于钢结构应变测点布置电阻应变片，采用无线静态应变采集器测量；对于混凝土结构应变测点布置振弦应变计，采用无线振弦静态应变采集系统测量。 （3）塔顶纵向位移：对于塔顶纵向位移测点，准备阶段在塔顶安装莱卡小棱镜，试验时采用莱卡全站仪测量。 （4）索力：对于斜拉索索力测点，采用无线索力测试仪测量。 （5）支点沉降：对于各支点沉降测试截面，采用数显千分表测量。

3 静载数据实测与分析

3.1 位移数据分析

（1）主梁试验荷载（双向八车道等效荷载）下主跨跨中最大挠度234 mm，小于JTG/T D65-01-2007《公路斜拉桥设计细则》 对主梁在车道荷载作用下的最大竖向挠度，620 mm=248/400×1000。

（2）数据分析主梁挠度校验系数0.75～0.98，平均0.86，处于JTG/J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》规定的常值范围0.75～1.00。 说明结构实测挠度与理论计算较为吻合， 实测整体刚度大于理论刚度；残余变位-4.04%～6.06%，说明整体结构处于弹性工作状态；双塔双索面，桥面宽35 m，主跨主梁挠度横向偏载增大系数介于1.121～1.134，边跨主梁挠度横向偏载增大系数介于1.113～1.144。主跨主梁扭转角度0.193°，边跨主梁扭转角度0.074°。说明主梁扭转刚度比较大，不易发生扭转倾覆(图12)。

图12 相应最大挠度加载工况作用下主梁各断面挠度实测值分析

（3）在试验荷载下，第91# 塔的左右侧塔顶纵向位移校验系数为0.80～0.92，说明主塔结构实测挠度与理论计算较为吻合，实测整体刚度大于理论刚度；残余变位-5.48%～3.90%，说明整体结构处于弹性工作状态；

3.2 应变数据分析

应变实测与理论分析如图13～14 所示。 底板应变数据分析：校验系数0.71～0.99，平均0.92，其中底板校验系数0.82～0.95， 平均0.88，U 肋校验系数0.73～0.84， 平均0.79， 均低于或处于JTG/J21-01-2015 《公路桥梁荷载试验规程》 规定的常值范围0.75～1.00，说明钢混组合结构实测应变与理论计算较为吻合；残余变位-4.32%～6.26%，说明结构处于弹性工作状态； 组合箱梁截面整体符合平截面假定，U 肋参与截面受力， 但扁平钢箱梁截面受剪力滞影响，腹板附近应变校验系数较中间部分大；U 肋部分校验系数较底板小。

图13 相应最大弯矩加载工况作用下主梁顶板应变实测与理论分析

（1）腹板应变数据分析，腹板应变随截面高度线性分布，表明截面整体符合平截面假定，中性轴较理论偏上，应该是实际混凝土顶板刚度较理论偏大导致中性轴上移。

图14 相应最大弯矩加载工况作用下主梁底板应变实测与理论分析

（2）顶板应变数据分析，顶板应变校验系数为0.31～0.50；应变校验系数低于JTG/J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》 规定的常值范围0.60～0.90。应变控制截面处的相对残余应变在-4.22%～13.33%，说明结构处于弹性工作状态。顶板为混凝土结构实际刚度较理论刚度大，导致校验系数偏低。

（3）塔柱底应变数据分析，91# 塔塔柱底最大弯矩截面处顶板应变校验系数为0.36～0.75；该桥应变校验系数低于或处于JTG/J21-01-2015 《公路桥梁荷载试验规程》规定的常值范围0.40～0.80。 应变控制截面处的相对残余应变在-3.59%～8.64%， 满足JTG/J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》中小于20%的规定。 塔柱为混凝土结构实际刚度较理论刚度大，导致校验系数偏低。

图15 主跨最大正弯矩加载工况作用下主梁应变测试截面腹板应变分析

3.3 索力数据分析

荷载试验前对某某跨海大桥主桥进行成桥索力测试。 全桥斜拉索在恒载下的索力分布均衡，左右幅拉索恒载索力对称性较好；实测索力与理论索力较吻合。 全桥88 根斜拉索，其中82 索力偏差小于5%。 6 根斜拉索索力偏差5%～10%， 最大偏差8.69%，成桥索力结果见图16。 根据活载索力增量最大值，选取中跨、边跨10 号、11 号拉索进行相应工况索力增量试验(表3)。 因设备故障，未能测得中跨跨中附近索力增量结果，仅进行相应工况边跨索力测试分析。

图16 成桥状态索力测试结果

表3 工况-斜拉索索力增量分析（单位：kN）

斜拉桥作为组合结构，斜拉索、桥塔及主梁三者能否协同受力关系到桥梁结构实际承载能力。 从表3 可知，本次索力增量测试工况中选取的斜拉索的索力增量校验系数0.91，表明斜拉索的活载索力的实测值基本与计算值相吻合，且拉索内的贮存应力(恒载＋活载)均满足JTG/T D65-01-2007《公路斜拉桥设计细则》的要求，即小于708 MPa(0.4×拉索抗拉标准强度)。

4 结论

通过对某跨海大桥主桥荷载试验，可以得出以下结论：（1） 钢-混凝土组合箱梁挠度校验系数接近1，实测挠度与理论计算较为一致；主梁组合箱梁截面抗弯刚度较大， 挠度变形符合设计限值要求，且扭转刚度较大，扭转角度小，横向偏载增大系数小， 不易发生扭转倾覆。 （2）钢-混凝土组合箱梁符合平截面假定， 但扁平钢箱梁剪力滞影响存在，导致应力在腹板附近较中部大，U 肋参与截面受力，但应力较底板小； 钢结构部分实际刚度与理论一致，而混凝土结构实际刚度较理论大，导致组合箱梁截面中性轴上移，截面实际刚度较理论偏大。 （3）桥塔纵向位移、斜拉索索力增量校验系数接近1，说明桥塔、主梁及斜拉索能较好的协同工作，符合组合结构受力特点。