公铁两用铆接钢桁梁桥拓宽改建荷载试验分析.pdf
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1、第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023黄晓彬.公铁两用铆接钢桁梁桥拓宽改建荷载试验分析J.公路交通技术,2023,39(3):41-50.HUANG Xiaobin.Load test analysis of riveted steel truss rail-cum-road bridge after widening and reconstructionJ.Technology of Highway and Transport,2023,39(3):4
2、1-50.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.007收稿日期:2022-10-20作者简介:黄晓彬(1984),男,广西壮族自治区贵港市人,硕士,高工,主要从事桥梁结构设计及研究工作。E-mail:tjql-。公铁两用铆接钢桁梁桥拓宽改建荷载试验分析黄晓彬1,2(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092;2.同济大学,上海 200092)摘 要:上海市松浦大桥原为跨越黄浦江的双层公铁两用桥,主桥为 2 联(96+112)m 连续铆接三角形钢桁梁结构,根据交通需要将其在原位拓宽改建。为了测试桥梁的实际受力状况,检验改建的设计、施工质量,验证结构安全性与
3、改造的有效性,对原位改建完成后的桥梁进行了荷载试验,包括静载试验、动载试验及自振特性参数测试,获取了原位拓宽改建后桥梁结构关键杆件的应力、变形、自振频率等结构参数。试验结果表明:1)桥梁结构受力与理论计算基本一致;2)承载力满足设计要求;3)采用的的改造方法合理有效。关键词:公铁两用桥;铆接钢桁梁;原位改建;荷载试验;测试;分析;评价文章编号:1009-6477(2023)03-0041-10 中图分类号:U446.1 文献标识码:ALoad Test Analysis of Riveted Steel Truss Rail-cum-Road Bridge after Widening and
4、 ReconstructionHUANG Xiaobin1,2(1.Architectural Design&Research Institute of Tongji University(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200092;2.Tongji University,Shanghai 200092)Abstract:Songpu Bridge was originally a double-layer rail-cum-road bridge crossing the Huangpu River in Shanghai.The main bridge is a doub
5、le(96+112)m continuous riveted triangular steel truss beam.It is widened and reconstructed in situ according to traffic needs.In order to test the actual stress condition of the bridge,inspect the design and reconstruction quality,and verify the structural safety and effectiveness of the reconstruct
6、ion,load tests were carried out on the bridge after the completion of the in-situ reconstruction,including static load test,dynamic load test and natural vibration characteristic parameter test.The stress,deformation,natural frequency and other structural parameters of key members of the bridge stru
7、cture after in-situ widening and reconstruction are obtained.The test results show that the stress of the bridge structure is basically consistent with the theoretical calculation,the bearing capacity meets the design requirements,and the transformation method adopted is reasonable and effective.Key
8、words:rail-cum-road bridge;riveted steel truss girder;in-situ reconstruction;load test;testing;analysis;evaluate 松浦大桥跨越黄浦江,是 G320 车亭公路与原铁路金山支线共建的双层公铁两用桥,上层为 2 车道公路,下层为单线铁路,1976 年 6 月建成通车。2012 年,铁路金山支线复线的建成使得松浦大桥下层铁路桥不需再承担铁路交通的功能,汽车及非机动车、行人的过江需求增加。此外,桥梁检测结果表明主桥铆接钢桁梁桥及引桥存在较多不同程度的病害,大桥急需改建、修复。根据论证,计划将原
9、松浦大桥上层公路拓宽为 6 车道,下层铁路改为非机动车道和人行道1。1 改造工程概况松浦大桥主桥为 2 联连续铆接三角形钢桁梁,主桥大修及拓宽改建方案为:利用原主桁结构,拓宽上层桥面为机动车道,双向 6 车道,总宽由 12 m 拓宽为 24.5 m;下层设置人行道和非机动车道,总宽由 10 m 拓宽为 13 m2。改建前后主桥横断面对比如图 1 所示,大修及拓宽改造完成后桥梁整体效果如图 2 所示。(a)改建前(b)改建后单位:m图 1 改建前后主桥横断面Fig.1 Cross section of main bridge before and after reconstruction图 2
10、大修后桥梁整体效果图(图中左侧为松浦大桥)Fig.2 Overall effect of bridge after reconstruction(the left is Songpu Bridge)松浦大桥改造是上海继苏州河外白渡桥、浙江路桥之后又一维修改造的服役多年的钢桁梁桥3。大修后主桥仍以 2 片主桁为主要受力结构,对部分杆件、节点进行加固。主桁杆件通过贴钢板或角钢的方式加固,通过铆钉或螺栓与原杆件连接。主桁节点板采用外贴加固板进行加固,加固板通过铆钉与原构件连接4-6。加固设计原则为:1)受压杆件:部分受压杆件存在弱轴方向稳定不足和截面强度不足的问题。加固方法为:在主桁平面内增加纵向槽
11、钢以减小杆件的计算长度、工字型截面四角内通过高强螺栓连接角钢以增加截面弱轴刚度和截面面积。对于受力较大的加劲弦以及支座处竖杆灌注混凝土形成组合截面共同受力。2)受拉杆件:部分受拉杆件存在净截面受拉强度不足的问题。加固方法为:通过高强螺栓在截面翼缘上贴板增加截面面积。3)节点板:部分主桁节点板存在节点板与杆件连接的铆钉数量不足以及节点板自身水平抗剪不足的问题。加固方法为:针对节点板与杆件连接处铆钉不足的问题,可采用局部外贴钢板的方法增加铆钉,将节点板与杆件连接在一起;节点板水平抗剪承载力不足的则需通过整体外贴钢板的方法增加节点板的抗剪面积进行加固,新旧节点板之间通过铆钉连接。4)增设外撑杆,用于
12、支承上层桥面,纵桥向布置距离与节间距 8 m 相同,下端支承于竖杆。2 桥梁总体布置松浦大桥主桥为 2 联(96+112)m 连续铆接三角形钢桁梁,全长 419.6 m。主桁节间距为 8 m,边跨共 12 个节间,主跨共 14 个节间,桥梁平立面布置如图 3 所示。道路等级:二级公路。汽车荷载等级:公路-级;人群荷载:按公路桥涵设计通用规范(JTG D602015)取用;设计速度:60 km/h。主桥上层桥面:0.5 m(防撞护栏)+11.5 m(机动车道)+0.5 m(防撞护栏)+11.5 m(机动车道)+0.5 m(防撞护栏)=24.5 m;下层桥面:0.25 m(人行栏杆)+3.97 m
13、(人行道,含主桁区域)+4.5 m(人机动车道)+3.97 m(人行道,含主桁区域)+0.25 m(人行栏杆)=12.94 m;大修后使用年限:50 年。桥梁横断面布置如图 4 所示。总体而言,主桥改建后,桥梁恒载相比老桥增加较多,活载总量比原先有所减小,但由于桥面加宽,偏载效应较大。24公 路 交 通 技 术 第 39 卷(a)主桥立面(b)主桥平面单位:m图 3 桥梁布置Fig.3 Layout of the bridge单位:m图 4 桥梁横断面(1#墩)Fig.4 Cross section of the bridge(1#pier)34 第 3 期 黄晓彬:公铁两用铆接钢桁梁桥拓宽改
14、建荷载试验分析 大修改建工程于 2020 年 6 月基本完成,随后进行了成桥试验,试验的主要目的是:1)检验桥梁改建设计、施工质量,验证结构安全性、评价改建的效果;测试桥梁受力状态与理论分析的一致程度,为桥梁评定提供技术依据。2)测试新增构件及老构件在试验荷载作用下的工作状态,评价其在设计使用荷载下的承载能力和使用状态,为运维部门提供初始状态数据。3)通过试验,结合理论分析,分析荷载作用下构件中新老材料的抗力效应,了解结构的传力途径及受力状态。3 桥梁结构理论计算理论计算对于制定试验加载方案尤为重要,如了解结构受力特点,确定重点关注的结构部位、杆件、加载车辆数、布置位置、荷载效率等。荷载试验结
15、束后,需根据实加荷载修正模型,将实测值与理论值对比分析,评价桥梁受力状态等。为此,本文采用Midas Civil 软件对该桥建立有限元模型,并进行理论计算。整体计算主要包括结构位移、杆件内力应力计算、结构自振特性计算等,计算模型如图 5 所示。根据该桥结构特点,理论计算建模关键点如下7-10:1)主桁结构均采用梁单元,原则上每根杆件一个单元,仅在有杆件相互交叉、连接以及需要考察内力的位置将单元进行分割。2)上层组合桥面系:由板、梁单元组成,板单元考虑钢板和混凝土板 2 层,钢板按照面积等效将加劲肋折算成 18.8 mm 厚钢板、混凝土板厚 100 mm。板单元尺寸在纵桥向为 0.5 m,横桥向
16、尺寸稍大,但与纵向比值不超 2.0。上层桥面系加高纵梁采用梁单元,纵向 0.5 m 一个单元;与主桁直接连接的纵梁采用组合截面;与上弦杆组成联合截面梁单元,单元纵向尺寸 0.5 m,横桥向尺寸与板单元横向尺寸相同。(a)整桥模型(b)中支点局部模型图 5 有限元计算模型Fig.5 Finite element calculation model3)下层正交异性钢桥面系:由板单元和梁单元组成,板单元考虑 U 肋的折算厚度;板单元尺寸纵向 2 m,横向与纵向之比不超过 2,纵向梁单元尺寸为 2 m,横梁尺寸与板单元横向尺寸相同。4)边界及连接条件的模拟:(1)永久支座(桁梁与下部结构连接处)采用一
17、般支撑进行模拟;(2)下层桥面系与主桁:实际该桥面系与主桁是通过支座连接,在模型中采用刚性连接释放转动自由度模拟该支座;(3)上层桥面系与主桁:方案设计成上弦杆与桥面系纵梁全长连接形成联合截面,模型中采用刚性连接来模拟;斜撑与加高纵梁采用刚性连接。5)荷载:按实际容重考虑,桥面系钢板考虑加劲对容重进行了调整,附属结构按实际重量加载。几种载位加载工况下桥梁跨中竖向挠度的理论计算值见表 1,相应的静载载位工况定义见 4.3 节。桥梁自振特性理论计算值见表 2。由于该桥为桁架桥,杆件众多,应力等计算结果不再一一列出,详细的计算结果见松浦大桥大修工程成桥荷载试验检测报告11。表 1 桥梁跨中竖向挠度理
18、论计算值mmTable 1 Theoretical calculation values of vertical deflection in mid span of the bridge位置载位 1载位 2载位 3载位 4上游下游上游下游上游下游上游下游112 m 跨跨中-30.0-30.0-32.0-13.010.410.4-26.6-7.096 m 跨跨中10.610.67.38.6-24.2-24.2-15.4-1.0 注:“+”号表示上拱变形,“-”号表示下挠变形。44公 路 交 通 技 术 第 39 卷表 2 桥梁自振特性理论计算值HzTable 2 Theoretical calc
19、ulation values of the bridge natural vibration characteristics振型频率主桁 1 阶侧向+扭转弯曲0.712主桁 2 阶侧向+扭转弯曲0.932主桁 1 阶反对称竖弯1.440主桁 1 阶对称竖弯2.4144 荷载试验4.1 试验内容成桥荷载试验的主要内容包括:外观检查、静载试验、动载试验等。静载试验采用车辆加载,其测试内容如下:1)钢桁梁主桁上弦杆、下弦杆、竖杆、斜杆等控制截面处的静态应力测试;2)主桁加劲弦及支座处竖杆(钢混凝土组合截面)控制截面的静态应力测试;3)外撑杆控制截面的静态应力测试;4)上层桥面钢-混凝土组合正交异性桥
20、面系钢横梁应力测试;5)主桁跨中静挠度、桥面系横梁静挠度测试。动载试验包含行车及跳车试验 2 部分,测试内容为:1)主桁主要控制杆件的动应力测试,用于计算冲击系数;2)主桁跨中断面竖、横向加速度测试;3)自振特性测试,用于判断桥梁整体刚度,包括竖、横向自振频率测试;4)阻尼比测试12。4.2 实桥测点布置根据公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/T J212011)13,试验采用的加载车辆对结构控制截面产生的荷载效应计算值应与设计荷载的效应基本相当。根据试验荷载效率要求及主要控制断面的设计内力计算结果,选用 21 辆总重 35 t(现场车辆总重略有差别,这里取平均重量)的汽车作为试验荷载,静载
21、试验荷载效率 在 0.951.05 之间。根据反复加载计算发现,与一般的桥梁不同的是该钢桁梁桥杆件众多,要使得每一根杆件的荷载效率满足上述要求,需要不断调整荷载位置,加载工况非常多,实际操作起来不现实且无必要。由于同一个加载工况下一般需对多个杆件的受力指标进行测试,实际工作中,比较合适的做法是同一个加载工况下针对最主要的杆件或参数,使其荷载效率满足规范,对其他关注杆件的荷载效率进行适当的控制。根据上述原则,确定加载工况及每一加载工况的车辆数量、位置,主桁关键杆件测点布设如图 6 所示。单位:mm图 6 静载试验主桁关键杆件测点布设示意Fig.6 Mearsuring point layout
22、of main truss key members in static-load test 主桁挠度测试断面布置于边跨及主跨跨中断面主桁架竖杆下部,沿横桥向上、下游各布置 1 个测点,共 4 个测点。静载试验测试杆件见表 3。典型测试杆件的测点布置如图 7 所示。对通过贴板补强的杆件截面,在原板件及新增板件上均布置测点,如图 7(b)所示;对通过增加混凝土截面变成钢-混凝土组合断面的杆件,在钢板及混凝土上均布置测点,如图 7(c)所示。4.3 测试工况1)静载试验工况为了尽可能全面了解桥梁在试验荷载下的受力状况,根据本桥特点及理论分析确定了 6 个载位,各静载载位工况所关注的重点内容为:载位
23、1(主跨跨中对称加载):主要测试(下同)中跨跨中下挠、跨中上下弦杆受力,斜撑受力(局部),桥面系横梁受力(局部)。车辆加载横断面布置如图 8 所示。载位 2(主跨跨中偏载加载):主要测试中跨跨中下挠(单侧)、跨中上下弦杆受力(单侧),斜撑受力(局部),桥面系横梁受力(局部)。载位 3(边跨跨中对称加载):主要测试边跨跨中下挠、跨中上下弦杆受力,斜撑受力(局部),桥面54 第 3 期 黄晓彬:公铁两用铆接钢桁梁桥拓宽改建荷载试验分析表 3 静载试验加载测试控制部位Table 3 Key members of static-load test结构部位杆件类型截面名称具体部位主桁架(上、下游 2 片
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