中承式鋼管混凝土系桿拱橋主橋主跨拱腳模型試驗

□文/馬德才 楊晨霞 趙文宏

1 試驗?zāi)康?/h2>

瀛洲大橋長1 160 m，主橋中跨為跨徑120 m帶懸臂剛架的中承式鋼管混凝土系桿拱橋，拱圈由1根主拱肋和2根副拱肋組成。主跨采用飛鳥式配水平柔性系桿索，鋼筋混凝土拱腳與縱梁、拱肋、橫梁、墩固結(jié)，拱腳是一個不規(guī)則的實體構(gòu)造，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。由于3根鋼管不同角度集中在一起與鋼筋混凝土拱腳相接，拱肋與拱腳部位的連接可靠與否，決定了拱腳設(shè)計成敗，因此對拱腳、拱肋、主梁的結(jié)合處進行空間實體模型加載試驗并進行數(shù)值計算分析，了解結(jié)構(gòu)受力情況與應(yīng)力分布十分必要。

2 試驗對象

以鋼管拱與拱座結(jié)合部和拱梁結(jié)合部的結(jié)構(gòu)區(qū)域為研究對象。

3 試驗內(nèi)容

1）對鋼管拱與拱座結(jié)合部和拱梁結(jié)合部初步分析，計算分析采用有限元程序進行。

2）設(shè)計制作1∶5的比例模型。采用與原型相同的材料和工藝制作。

3）設(shè)計制作加載反力架。通過反力架加載使模型各部位的受力情況和邊界條件與原型相似。

4）進行應(yīng)力和變形測點的布置。測點主要布置在拱肋、主梁、拱座和墩的結(jié)合部。

5）制作壓力荷載傳感器。使用傳感器對各千斤頂荷載進行控制，保證千斤頂荷載滿足要求。傳感器在使用前必須進行標定。

6）進行靜力荷載試驗。使用日本產(chǎn)的UCAM-70A和UCAM-1A電阻式應(yīng)變儀對模型應(yīng)力和變形測點進行測量，研究結(jié)合部的傳力途徑和應(yīng)力分布并觀察模型結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生和發(fā)展情況。

圖1 SOLID95 單元基本形式

7）繼續(xù)增加荷載，直至結(jié)構(gòu)達到極限承載力或超過試驗控制荷載2.0倍，測量模型的應(yīng)力分布，觀察模型結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生和發(fā)展以及破壞形態(tài)。

8）根據(jù)試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)造建立有限元模型，計算模型的應(yīng)力應(yīng)變分布。通過計算與試驗結(jié)果的對比，對實橋結(jié)合部工作性能進行綜合分析，對結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化建議。

4 模型仿真計算

采用有限元分析軟件計算在各加載工況下，模型的應(yīng)力及位移分布。

順橋向為X軸，豎向為Y軸，橫橋向為Z軸。鋼板采用殼單元模擬，混凝土采用塊體單元模擬。由于模型結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為更好地模擬細部結(jié)構(gòu)，又使單元形狀和數(shù)量滿足計算要求，對混凝土部分同時使用SOLID95單元和SOLID92單元混合。

SOLID95單元是20節(jié)點的塊體單元，其基本形式見圖1。

SOLID92單元是10節(jié)點的塊體單元，其基本形式見圖2。

圖2 SOLID92單元基本形式

將SOLID95單元中的四面體單元轉(zhuǎn)換成SOLID92單元，可減少節(jié)點數(shù)目，縮小剛度矩陣，節(jié)約計算時間。

鋼材型號Q345qD，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3

混凝土強度等級為C50，彈性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比μ=0.167，混凝土彈性模量為實測結(jié)果。

5 結(jié)構(gòu)試驗流程

結(jié)構(gòu)試驗流程見圖3。

圖3 試驗流程

6 模型設(shè)計和制造

6.1 整體設(shè)計

模型設(shè)計的一般原則是能夠反映實際結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特征，忽略次要因素。試件的尺寸一般根據(jù)研究目的實現(xiàn)效果、試驗室的設(shè)備及場地大小決定。由于模型不可能做成與實際結(jié)構(gòu)完全一樣，所以其應(yīng)力分布與實際結(jié)構(gòu)就存在一定的差異。但設(shè)計模型時對這種誤差的控制應(yīng)遵循如下原則：

1）該差異力爭控制在±5%范圍內(nèi)；

2）模型的應(yīng)力應(yīng)該與實際結(jié)構(gòu)應(yīng)力等效；

3）模型的邊界條件、力和位移均應(yīng)與原型相似。

試驗?zāi)Ｐ透魑锢砹颗c原型各物理量的相似關(guān)系見表1。

表1 各物理量的相似常數(shù)

模型取三角形混凝土拱肋和一小截主拱肋、副拱肋，這樣在模型主梁兩端均只需施加剪力，有利于模型邊界條件的模擬?？s尺模型高度4.6 m，長度9.3 m，寬度6.2 m。

6.2 模型試驗場地與反力架設(shè)計

在試驗室設(shè)置地錨系統(tǒng)，經(jīng)過對比，選擇其中承載力較大的一處地錨系統(tǒng)進行試驗。

反力架在頂端受到拱肋荷載的反力作用，中部受到體外索的反力作用，所以反力架受到的荷載較大，是模型試驗的一個關(guān)鍵。通過計算，反力架的主要構(gòu)件為地錨縱梁、立柱、斜撐、支座組成，另外還有為張拉設(shè)置的橫梁等結(jié)構(gòu)。連接方式采用焊接。

6.3 預(yù)應(yīng)力筋的布置

在模型上混凝土主梁的板厚很小，為了方便，在模型中采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力索模擬，按照相似比縮小合并。

系桿采用體外預(yù)應(yīng)力索，37φ15.24mm鋼絞線，其面積為5 180mm2，模型所用鋼絞線按1∶25縮小面積應(yīng)為207.2mm2，實際應(yīng)用中可采用2φ12.7mm鋼絞線，截面面積為197.4mm2，與模型比例接近。

6.4 模型加載方式

實橋拱座結(jié)合部、拱梁結(jié)合部的受力特點,主拱肋采用1臺350 t千斤頂加載，副拱肋采用2臺150 t千斤頂加載。千斤頂?shù)暮奢d采用壓力傳感器進行控制。壓力傳感器在使用前進行標定。

通過反力架提拱模型荷載的反力。在反力架外側(cè)張拉體外索模擬系桿力；主梁端的豎向荷載通過千斤頂豎向加載。

在混凝土臺座端預(yù)埋精軋螺紋鋼，通過張拉精軋螺紋鋼對模型這端施加豎向力，模擬由掛孔傳遞過來的豎向荷載。

模型的恒載補償可在模型上堆載來施加。堆載采用砂袋和鐵塊進行施加。

根據(jù)相似原理，當原型材料的彈性模量和模型的彈性模量相等時，模型材料的密度和原型材料的密度應(yīng)與相似常數(shù)成反比。一般條件下，該條件無法滿足，常采用在模型結(jié)構(gòu)上附加質(zhì)量配重來解決。

6.5 模型混凝土試件的檢測結(jié)果

澆筑模型混凝土?xí)r，同時制作了3組立方體強度試件，1組彈性模量試件。立方體強度試件邊長為150mm，分別測量混凝土3、7、28 d強度。彈性模量試件規(guī)格為100mm×100mm×300mm，測量混凝土28 d彈性模量。試件測試結(jié)果表明，混凝土立方體強度滿足強度等級為C50混凝土的要求，彈性模量略低于規(guī)范取值，這是因為模型采用細骨料混凝土，彈性模量略偏低。

7 模型測點與測試

7.1 模型的測點布置

應(yīng)力測點主要布置在拱座和拱座周圍，重點測量拱肋和主梁結(jié)合部的應(yīng)力分布。在其他位置也布置相應(yīng)的測點，測量模型應(yīng)力的整體分布。

變形測點主要在端部中點拱、腳處，采用電子百分表進行測量。

7.2 模型的加載工況

模型的加載分成以下幾個工況，每加載完成一個工況后，進行相應(yīng)和測試。

1）預(yù)應(yīng)力工況。施加箱梁預(yù)應(yīng)力。

2）恒補工況。施加恒載補償。

3）體外索工況。施加體外索荷載。

4）恒載工況。施加一期與二期恒載工況下的拱肋荷載和中邊掛孔荷載。

5）根據(jù)設(shè)計提供的主拱最大軸力、主拱最大剪力、主拱最小彎矩、副拱最小彎矩，4種最不利工況，施加4種工況下的拱肋荷載和中邊掛孔荷載。

6）極限。單獨施加拱肋荷載，按最不利工況一的拱肋荷載的2.0倍加載。加載時分級進行，加載到位后應(yīng)分級卸載，每級均進行應(yīng)力和位移的測量，同時輸出混凝土拱肋應(yīng)力測試結(jié)果。

混凝土拱肋上共布置了4個測試斷面，分別在2個混凝土拱肋的兩端。測點布置的方向與拱肋軸線平行。每個測試截面布置有10個測點，平均分布在測試截面的頂?shù)装迳稀?/p>

8 試驗分析與結(jié)論

1）模型的設(shè)計符合相似原理，模型能夠模擬實橋結(jié)構(gòu)的受力情況，模型的加載方案保證了模型的邊界條件與實橋相似，模型設(shè)計能夠滿足試驗方案的要求。

2）模型各工況的試驗結(jié)果表明：絕大部分應(yīng)力測試結(jié)果校驗系數(shù)在0.5～1.1，位移校驗系數(shù)在0.81～1.19，模型在各工況下應(yīng)力、位移實測結(jié)果與計算結(jié)果吻合和狀態(tài)良好，處于彈性工作狀態(tài)；有限元程序能夠?qū)嶋H結(jié)構(gòu)進行很好地模擬，達到了相互校驗的研究目的。

3）模型混凝土拱肋的疊加應(yīng)力以受壓為主，在中跨側(cè)拱肋頂板和邊跨側(cè)拱肋底板局部有拉應(yīng)力，拉應(yīng)力約有1 MPa。模型主梁全截面受壓，預(yù)應(yīng)力布置合理。主拱肋鋼管實測最大壓應(yīng)力為70.5 MPa，副拱肋最大壓應(yīng)力為132.7 MPa。

4）在加載至極限荷載工況時，模型表面仍未發(fā)現(xiàn)裂縫，模型極限承載力大于極限荷載工況下的荷載。副拱肋鋼管實測壓應(yīng)力最大，為265 MPa，拱座外包鋼板實測應(yīng)力＜30 MPa。模型加載時位移和應(yīng)變隨荷載變化呈線性變化，模型卸載后，位移和應(yīng)變基本恢復(fù)，表明模型始終處于彈性工作狀態(tài)。