梁格法在钢箱梁拱桥静载试验中应用

潘冬冬

（浙江中能工程检测有限公司,浙江 杭州 310000 ）

0 引言

随着城市的快速发展，桥梁的建设不仅要满足基本的使用功能，桥梁的美学也成为人们关注的重要方面[1]。尤其在城市里面，拱桥不仅跨越障碍物能力强，拱桥还具备造型美观的特点，备受城市建设者追崇。与传统的混凝土桥梁相比，钢箱梁桥具有自重轻、承载能力高、施工速度快等优点，被大量应用在公路市政桥梁中[2-4]。

目前工程上常采用单梁模型对桥梁进行受力计算分析，但单梁模型无法合理反映结构的空间效应，桥梁板壳模型建模过于复杂且建模分析过程所耗费时间过多。该文采用梁格法进行钢箱拱桥建模，计算分析宽箱拱桥在成桥状况下桥梁静载试验理论数据，通过与桥梁现场实际静载试验数据进行对比分析来验证梁格法建模合理性。

1 工程概况

某景观拱桥为下承式钢箱拱桥，桥梁跨径布置为（13+86+13）m，桥梁全长为116 m，桥宽为47.5 m，主桥横断面尺寸：0.25 m（护栏）+5.25 m（人行道）+0.50 m（防撞护栏）+2.00 m（吊杆区）+0.75 m（防撞护栏）+14.5 m（机动车道）+0.75 m（防撞护栏）+2.00 m（吊杆区）+0.50 m（防撞护栏）+5.25 m（人行道）+0.25 m（护栏）。桥面采用双向八车道，桥梁荷载等级为城-A 级，人群荷载3.5 kN/m2。道路等级为城市次干路，桥梁无通航要求，桥梁主体结构设计年限为100 年，更换次要构件设计年限为15 年。景观拱桥采用先梁后拱的施工方法，钢箱主梁和钢拱肋采用先期工厂制作完成后，再运输到项目施工现场进行分阶段吊装焊接施工拼装成整体。

景观桥主梁采用单箱12 室斜腹板箱形截面（图1），钢箱梁梁高2.5 m，梁顶面设置双向2%横坡。顶板和底板采用16 mm，梁端拱梁结合段局部加厚到30 mm。边腹板厚度为14 mm，吊杆两侧中间腹板在拱桥范围厚度为30 mm，其余段落厚度为16 mm。横隔板基本间距2.0 m，标准板厚12 mm，拱梁结合处板厚20 mm。拱肋采用单箱单室等截面钢箱拱，截面宽度为2.0 m，截面高度为1.58 m。吊杆采用挤压锚固钢绞线索体系，吊杆型号采用GJ15—19类型。钢主梁及拱肋均采用Q355qc钢材。

图1 横断面布置图

桥梁桥墩采用墙式墩，墩身立面配合梁桥拱肋部分景观，设计为弧线形状。桥台为一字墙桥台，端台采用承台加群桩基础，桥台台身、侧墙采用C35 混凝土，承台采用C30 混凝土，桩基采用C30 水下混凝土。

2 有限元模型建立

梁格法的主要思路就是将上部结构用一个等效的平面梁格来模拟，将分散在上部结构的每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于相近的等效梁格内[5-6]。基于梁格法原理，将截面沿腹板划分为多个工字型截面和两个边梁截面。剪力-柔性梁格理论中对于划分后的截面应尽量满足每根纵梁的中性轴与整体截面的中性轴处于同一高度[7]。依据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）对主梁纵向单元截面进行折减，从而考虑剪力滞和局部稳定影响。

计算模型材料均为Q345 钢材，材料弹性模量和重度均按照相关规范取值，钢箱梁采用梁单元模拟、吊杆采用桁架单元模拟。在主梁横隔板处设置横向梁格。横向梁格采用工字型截面模拟，依据横隔板实际重量并对横向梁格截面进行刚度及重量调整。全桥模型节点共1 691个、单元共2 320 个。有限元模型如图2 所示。

图2 有限元模型

3 静载试验

桥梁静载试验主要是通过在桥梁结构上施加等效荷载使桥梁试验控制截面在荷载作用下内力或位移与理论计算内力或位移两者比值满足静荷载试验效率。该次项目作为验收性荷载试验，其值应大于或等于0.85，且不得大于1.05。

3.1 测试截面和测点布置

该次静载试验控制截面选择1/4 跨径截面（1-1 截面）和1/2 跨径截面（2-2 截面），以拱肋内力作为控制截面静载试验效率等效原则，该次静载试验分为2个工况进行。2 个试验工况下试验车辆均为横向中载布置。该次静载试验采用8 辆车重为40 t 四轴车辆进行加载，静载试验效率表如表1 所示，控制截面示意图如图3 所示，拱肋弯矩包络图如图4 所示，加载车布置图如图5～6 所示，加载车参数如表2 所示。

表1 静载试验效率

表2 加载车参数

图3 控制界面示意图

图4 拱肋弯矩包络图

图5 工况1 和工况2 加载车纵向布置图（mm）

图6 工况1 和工况2 加载车横向布置图（mm）

该次静载试验时分别在钢箱梁第2 至第9 箱室梁底分别布置应变计且编号为测点1 至测点8（编号Z1～Z8），在南北拱肋上侧顶板侧分别布置应变计（编号NG1 和BG1）。钢箱梁挠度采用高精度带自动旋转马达功能全站仪配合棱镜进行测量，挠度测点布置在第2、4、6、8、10 箱室底，两侧靠近桥台处分别布置支点沉降观测点。

3.2 静载试验成果及分析

3.2.1 应力测试结果

工况1 和工况2 试验荷载作用下，主要测点应变实测值、计算值如下图7 和图8 所示。

图8 工况2 测点应变实测值和计算值对比

由图7～8 可知，在各工况试验荷载作用下，主梁及拱肋应力实测值小于计算值，各测点应力校验系数均小于1，且应力相对残余变形均小于20%，依据《城市桥梁检测与评定技术规程》（CJJ/T—2015），表明主梁和拱肋强度满足设计荷载正常使用要求。

3.2.2 挠度测试结果

工况1 和工况2 试验荷载作用下，主要测点挠度实测值、计算值如图9～10 所示。

图9 工况1 测点挠度实测值和计算值对比

图10 工况2 测点挠度实测值和计算值对比

由图9～10 可知，在各工况试验荷载作用下，主梁及拱肋各测点挠度校验系数均小于1，且挠度相对残余变形均小于20%，依据《城市桥梁检测与评定技术规程》（CJJ/T—2015），表明主梁刚度满足设计荷载要求。

4 结语

（1）主梁及拱肋主要测点应力校验系数均小于1，应力相对残余变形均小于20%，满足《城市桥梁检测与评定技术规程》（CJJ/T—2015）规定的要求，表明主梁和拱肋强度满足设计荷载要求。

（2）主梁及拱肋主要挠度测点校验系数均小于1，挠度相对残余变形均小于20%，满足《城市桥梁检测与评定技术规程》（CJJ/T—2015）规定的要求，表明主梁和拱肋刚度满足设计荷载要求，桥梁具有较好的弹性恢复能力。

（3）静载试验实测数据与计算数据比较接近，表明梁格模型在该项目中运用是合理的，运用梁格理论指导宽箱梁荷载试验，能够保证精确度。