拱梁组合的钢结构人行天桥静载试验研究及承载力评定

吴植安

(太原理工大学 土木工程学院，太原 030024)

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，相应地工程上对其承载能力与通行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。

目前，国内外学者主要对人行天桥的设计、现场检测与安全性评定、动力特性测试及结构减振等方面进行了研究[1-3]。刘士洋等[4]对一钢箱梁人行天桥进行检测与安全性分析，并对其实际工作状态进行了评定。王元清等[5]对西单铝合金天桥的承载能力与工作性能进行了检测与评定，针对该桥存在问题给出了处理建议。GIUSEPPE et al[6]利用等效光谱模型对人行天桥进行了适用性分析。ZUO et al[7]进行了行人激励下人行天桥的振动振幅评估研究。孟美莉等[8]对深圳北站东西广场人行天桥舒适度进行了分析。

太原市滨河西路幸福里人行天桥-拱梁组合钢桥跨度大，净空高，跨越滨河西路快速路，本文通过有限元模拟计算，确定出桥梁静载试验方案，对桥梁进行现场静载试验及承载能力评定。试验结果为该桥日后运营阶段的管养提供技术依据，同时对类似工程的设计、施工与检测提供有益参考。

1 工程概况

太原市滨河西路幸福里人行天桥跨越滨河西路快速路，桥梁结构采用三跨飞燕式拱梁组合钢桥，跨径布置为13.0+45.0+13.0=71.0 m，主桥桥宽4.4 m，桥面净宽4.0 m，桥梁净空9.0 m，其立面图与横断面图如图1所示，实际照片如图2所示。主拱拱肋采用分离式双肢截面，两肢钢管分别选用直径219、273 mm的圆形钢管；外侧肢(钢拱Ⅱ)矢跨比8/100，拱肋向外侧偏；内侧肢(钢拱Ⅰ)铅垂面内布置，矢跨比12/100，内外肢均按二次抛物线变化。桥面主梁采用等高度双边钢梁，梁高0.4 m；桥面板采用12 mm钢板；桥面板横向联系采用倒T型钢梁，梁高0.4 m，间距1 500 mm.钢拱与主梁之间采用钢支撑刚性联系，钢支撑间距1 500 mm，与主梁横向联系梁对应。主桥主墩处设置两个GJZ300×600×69板式橡胶支座，边墩处设置两个GJZ150×

图1 人行天桥立面图和横断面图(单位：mm)Fig.1 Elevation and cross section of pedestrian bridge(unit:mm)

图2 人行天桥照片Fig.2 Photo of pedestrian bridge

250×35板式橡胶支座，主桥中间桥墩采用纵向“V形”钢筋混凝土墩柱形式，主桥边墩采用混凝土墩柱盖梁形式，基础采用钻孔灌注桩基础。

2 静载试验方案

2.1 静载试验目的与要求

1) 为确保新建人行天桥的安全运营，检验桥梁结构的设计与施工质量，通过静载试验，对人行天桥的结构性能与承载能力作出评定。

2) 人行天桥桥面标准荷载为4.05 kN/m2，确定静力荷载试验的荷载大小和加载位置时，采用静载试验效率进行控制[9]。本次人行天桥静载试验荷载效率控制在0.85～1.05范围内[10-11]。

3) 人行天桥刚装修完毕，要求静载试验时对桥面地砖等装饰部件的损伤尽量做到最低限度。

2.2 测点布置

采用MIDAS有限元软件，在标准荷载下对人行天桥结构进行计算，得出静载试验中的应力与位移测点位置，共布设20个应力(应变)测点，11个位移测点，具体位置见表1、2，如图3、图4所示。对于位移测点N1-N7，采用位移计量测各测点的竖向位移；测点N8、N9为钢拱Ⅰ拱顶的水平位移，采用全站仪量测；测点N10、N11为主跨支座处的水平位移，采用位移计量测。表1、2与图3、4中括号内数值为沿天桥纵轴对称构件上的测点编号。

表1 应变测点布置Table 1 Strain measurement point arrangement

表2 位移测点布置Table 2 Displacement measurement point arrangement

图3 静载试验应变测点布置(单位：mm)Fig.3 Strain measurement point arrangement for static load test(unit:mm)

图4 静载试验位移测点布置(单位：mm)Fig.4 Displacement measurement point arrangement for static load test(unit:mm)

2.3 试验加载方式

人行天桥静载试验通常有以下三种加载方式：1) 沙包、水泥袋堆载。特点是需人工搬运，采用标准重量沙包或水泥袋分级、分层堆载，加载效率不高，加载时不占用桥下主干道。2) 水箱加载。特点是单个水箱体积大、重量少，布载距离较长，近乎全桥均布；采用标准尺寸水箱分级、分列堆载；加载效率较高；所需设备为水箱与洒水车，加载时需占用桥下1～2条车道。3) 混凝土试块加载。特点是单个混凝土试块重量大，采用混凝土试块分级、分层堆载；加载效率高；所需设备为大型吊车，加载时需占用桥下2～3条车道。综合考虑人行天桥跨度、净高等几何条件以及设备、人员等因素，本次静载试验确定采用混凝土试块加载方式进行加载。

人行天桥桥面标准荷载为4.05 kN/m2，采用MIDAS有限元软件，对该结构建立空间杆系有限元模型，模型中桥面主梁与钢拱采用梁单元，钢支撑采用桁架单元，板式橡胶支座与桥梁的连接采用节点弹性支撑进行模拟。通过计算，得到在荷载效率范围内的模拟试验荷载，中跨模拟试验荷载如图5所示，加载区域分为左、中、右加载区域，其中，左、右加载区域试验荷载分别为：均荷载4.0 kN/m2，横向分布宽度4.0 m，纵向分布长度11.25 m；中加载区域试验荷载为：均荷载3.33 kN/m2，横向分布宽度4.0 m，纵向分布长度13.5 m.每个加载区域荷载重量均为180.0 kN.边跨模拟试验荷载如图6所示，均荷载为3.93 kN/m2，横向分布宽度4.0 m，纵向分布长度10.2 m，荷载重量为165.0 kN.

2.4 试验荷载效率

通过有限元分析与计算，分别得到结构在标准荷载与模拟试验荷载作用下，各构件测点的应力值与位移值，同时计算出该天桥中跨、边跨静载试验的荷载效率，详见表3，表中应力控制截面，即测点位置由荷载下内力最大的截面位置确定得出。根据《城市桥梁检测与评定技术规程CJJ/T 233-2015》[11]，静载试验荷载效率应控制在0.85～1.05范围内，表3中，本次人行天桥中跨荷载效率满足规范要求，边跨只有钢拱内力对应的荷载效率为0.84，略小，所以综合考虑，表3各控制截面测点的荷载效率能够保证本次静载试验的有效性。以下图表中应力以受拉为正，竖向位移以向上为正，水平位移以相对向外为正。

图5 中跨模拟试验荷载分布图(单位：mm)Fig.5 Load distribution of mid-span simulation test(unit:mm)

图6 边跨模拟试验荷载分布图(单位：mm)Fig.6 Load distribution of side-span simulation test(unit:mm)

表3 静载试验荷载效率Table 3 Load efficiency of static load test

3 现场试验

3.1 实际试验荷载布置

人行天桥中跨、边跨均采用混凝土试块分三级进行加载，混凝土试块尺寸为1 500 mm×550 mm×650 mm，单块重15.0 kN.试验加载工况见表4，现场中、边跨荷载位置如图7、8所示。

表4中，“二级加载”荷载数值为第一级加载与第二级加载的累计荷载值；一级加载，左加载区域荷载60.0 kN，计算式为15.0 kN(单块重)×4块=60.0 kN，其他荷载值也依此计算。图7、8中，编号1-2含义为：“1”表示第一级加载，“2”表示第一级

表4 中跨、边跨的加载工况Table 4 Loading conditions of mid-span and side-span

加载中，第二块试块的位置。

图7 现场中跨荷载布置详图(单位：mm)Fig.7 Load arrangement of mid-span static load test at the site(unit:mm)

图8 现场边跨荷载布置详图(单位：mm)Fig.8 Load arrangement of side-span static load test at the site(unit:mm)

3.2 现场试验

该人行天桥静载试验在夜间进行，主要仪器设备有：应变片、位移计、无线静态数据采集分析系统、电脑、全站仪等。现场配备两台大型吊车，按表4逐级施加荷载，每级荷载位置准确、整齐稳定，荷载施加完毕后，逐级卸载。

试验现场照片如图9-12所示，由图12可见，现场采用建筑木方对混凝土试块进行支垫，木方位置与天桥结构横梁位置一致，可以直接将混凝土试块重量传给结构横梁，从而防止了桥面地砖被压碎等损伤情况的发生，满足了静载试验要求。

图9 钢拱应变测点Fig.9 Strain measurement point on steel arch

4 试验结果

4.1 中跨静载试验结果

人行天桥中跨静载试验中，各级工况下，各应力测点的应力实测与计算结果见表5，5个竖向位移测点N4、N2、N1、N3、N5的竖向位移纵向分布如图13所示。

图10 应变数据采集Fig.10 Strain data acquisition

图11 位移计量测竖向位移Fig.11 Measuring vertical displacement

图12 现场混凝土试块加载Fig.12 Concrete test block loading at the site

图13 中跨位移测点N1-N5竖向位移纵向分布Fig.13 Longitudinal distribution of vertical displacement of measuring points N1-N5

表5中校验系数为实测值与计算值的比值。

表5中未列出南北对称测点的应力值，其数值与表中相应的对称测点数值相近，其校验系数均在合理范围内。中跨静载试验各测点相对残余应变的最大值为4.4%，小于20%，满足规范要求。试验三级加载后，位移测点N9的水平位移实测值为-3.0 mm，绝对值小于计算值-3.1 mm；三级加载后，中跨支座处位移测点N10的水平位移为0.12 mm.

表5 中跨静载试验各测点的应力值Table 5 Stress value of each measuring point for the mid-span static load test MPa

4.2 边跨静载试验结果

边跨在各级工况下，各测点的应力实测与计算结果见表6，3个竖向位移测点N6、N7、N4的竖向位移纵向分布如图14所示。试验三级加载后，支座处位移测点N10的水平位移为0.09 mm.

图14 边跨位移测点N6、N7、N4竖向位移纵向分布Fig.14 Longitudinal distribution of vertical displacement of measuring points N6, N7 and N4

表6中，“实测”指实测值，“计算”指计算值，“系数”指校验系数，“三级二级卸载”指第三级、第二级卸载，“卸载”指卸载完成。

4.3 结果数据分析

对该人行天桥分别进行了中跨、边跨静载试验，将各测点应力与位移校验系数分布范围列于表7.

《城市桥梁检测与评定技术规范CJJ/T 233-2015》第6.4.3条规定[11]，一般钢桥应力与位移校验系数范围为0.75～0.95，由表7可见，中跨、边跨各测点应力与位移校验系数均远小于0.95，即主要测点的应力、竖向位移实测值均小于理论计算值。另外，钢拱Ⅰ拱顶水平相对位移实测值均小于理论计算值；中跨支座处两测点的相对水平位移数值很小。因此，依据《城市桥梁检测与评定技术规范》第6.4、6.5条，该人行天桥结构工作性能良好，其承载力与刚度满足规范及设计要求，具有一定的安全与刚度储备。

表6 边跨静载试验各测点应力实测与计算结果Table 6 Stress value of each measuring point for the side-span static load test MPa

表7 静载试验中，各测点应力与位移校验系数分布范围Table 7 In the static load test, the check coefficients range of stress and displacement for each measuring point

5 结论

本文对太原市滨河西路幸福里人行天桥-拱梁组合钢桥进行了有限元分析与静载试验研究，得出以下结论：

1) 采用MIDAS有限元软件对天桥结构进行模拟分析计算，确定出静载试验方案，选择混凝土试块加载方式，现场采用方木进行支垫，整个试验过程未对桥面地砖等装饰部件造成任何损伤。

2) 在试验荷载作用下，结构各测点应力与位移校验系数均远小于0.95，依据《城市桥梁检测与评定技术规范》，人行天桥结构工作性能良好，其承载能力满足标准荷载4.05 kN/m2作用下的正常使用要求，结构具有一定的安全与刚度储备。

3) 该人行天桥跨度大，跨越滨河西路快速路，有必要在投入运营之前对桥梁结构进行检测分析，为人行天桥运营阶段的管理与养护提供技术依据，同时对类似工程的设计、施工与检测提供有益参考。