大跨徑三榀式鋼管混凝土拱橋靜載試驗(yàn)研究

宋景景,湯建林

(浙江交科工程檢測有限公司,杭州 311215)

1 工程概況

橫塘港大橋位于浙江省桐鄉(xiāng)市,跨越橫塘港,橋梁全長1040m。主橋?yàn)榭鐝?44m的鋼管混凝土拱橋,引橋?yàn)?5m、30m裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。橋面凈寬2×凈-11.75m,設(shè)計(jì)荷載為公路-I級,按雙向四車道設(shè)計(jì)。主橋上部結(jié)構(gòu)采用144m下承式鋼管混凝土系桿拱,計(jì)算跨徑為140m,拱軸線形為二次拋物線,矢跨比為1/5,拱肋斷面形式為橫啞鈴型,橫向設(shè)置三片拱肋,一片中拱肋和兩片邊拱肋。下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。拱橋上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土,橋墩墩身采用C30混凝土,基樁采用C25水下混凝土。

2 空間分析模型

為了與靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,并對橋梁靜力性能進(jìn)行評估,采用橋梁空間分析程序Midas/Civil對該橋主橋建立有限元空間模型,鋼管混凝土拱肋是由鋼管和混凝土兩種材料構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu),建模時(shí)采用了鋼混組合材料模擬法。全橋共劃分為4 062個(gè)單元,2 745個(gè)節(jié)點(diǎn),其中梁單元3 984個(gè),只受拉力單元78個(gè);拱肋、橫梁、系梁和風(fēng)撐等采用二節(jié)點(diǎn)梁單元建立,吊桿采用二節(jié)點(diǎn)只受拉單元建立,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動自由度與3個(gè)轉(zhuǎn)動自由度。主橋空間分析計(jì)算模型如圖1所示。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次拱橋靜載試驗(yàn)內(nèi)容有：恒載吊桿力;拱腳截面的應(yīng)力;拱肋四分點(diǎn)截面應(yīng)力和撓度;拱肋跨中截面的應(yīng)力和撓度;系梁跨中截面的應(yīng)力和撓度。

圖1 主橋空間分析計(jì)算模型圖

3.2 靜載試驗(yàn)測試截面及測點(diǎn)布置

利用橋梁空間分析程序Midas/Civil進(jìn)行建模分析,依據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)的活載內(nèi)力包絡(luò)圖和位移包絡(luò)圖,確定結(jié)構(gòu)的最大彎矩截面和最大撓度截面。根據(jù)分析結(jié)果,選定橋梁測試截面分別為拱腳處截面(Ⅰ-Ⅰ)、拱肋四分點(diǎn)截面 (Ⅱ-Ⅱ)、拱頂處截面 (Ⅲ-Ⅲ)及系梁跨中截面 (Ⅳ-Ⅳ)。測試截面如圖2所示。

圖2 橋梁測試截面布置示意圖 (單位：cm)

3.3 靜載試驗(yàn)測點(diǎn)布置

拱肋應(yīng)變測點(diǎn)布置：沿順橋向分別布置于Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ,每個(gè)斷面各布置12個(gè)正應(yīng)變 (應(yīng)力)測點(diǎn),如圖3所示;系梁應(yīng)變測點(diǎn)布置于邊系梁外側(cè),沿其高度方向各布置5個(gè)應(yīng)變測點(diǎn),如圖4所示;撓度測點(diǎn)設(shè)在系梁跨中、拱頂及四分點(diǎn)處,采用測角精度為0.5角秒、具有ATR功能的徠卡TCA2003全站儀觀測結(jié)構(gòu)豎向變位。

3.4 吊桿作用下吊桿力測定

吊桿微元的平衡微分方程可表示為：

式中：y為吊桿的橫向坐標(biāo);x為吊桿的縱向坐標(biāo);m為吊桿單位長度的質(zhì)量;EI為吊桿截面的彎曲剛度;T為吊桿的拉力。

圖3 拱肋測試截面應(yīng)變測點(diǎn)位置示意圖

圖4 系梁測試截面應(yīng)變測點(diǎn)位置示意圖(單位：cm)

當(dāng)?shù)鯒U的邊界條件可簡化為鉸支時(shí),式 (1)的解可以表示為：

式中：fn為吊桿的第n階振動頻率,Hz;n為振動階次;L為吊桿的計(jì)算長度。

如果已知吊桿的計(jì)算長度 L,每延米的質(zhì)量m,吊桿截面的彎曲剛度EI,再測出吊桿的前幾階振動頻率,便可由式 (2)求得吊桿的拉力。

3.5 試驗(yàn)加載車輛

為了保證試驗(yàn)的有效性,根據(jù)各測試截面的內(nèi)力與撓度影響線,按最不利位置加載,在保證各測試截面試驗(yàn)荷載效率系數(shù)η達(dá)到0.95以上的條件下,經(jīng)計(jì)算確定靜載試驗(yàn)共需用300kN(車重+荷重)雙后軸載重汽車12輛,加載車軸重介于289.4～320 kN,平均值為299.4 kN。

3.6 試驗(yàn)加載工況

按各測試截面的最不利效應(yīng)進(jìn)行布載,共分為7種試驗(yàn)荷載工況,各個(gè)工況加載如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)荷載縱、橫橋向加載布置示意圖(單位cm)

根據(jù)上述車輛加載位置可得各工況試驗(yàn)荷載效率系數(shù),試驗(yàn)荷載效率系數(shù)介于0.96～1.02之間,如表1所示。

表1 各工況試驗(yàn)荷載效率計(jì)算表

4 恒載吊桿力分析

恒載作用下吊桿力的實(shí)際狀況與設(shè)計(jì)值的符合程度是衡量結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求、體現(xiàn)施工水平的一個(gè)重要指標(biāo)。對于本橋系桿拱的柔性吊桿,可以用測量吊桿橫向振動頻率的辦法,間接測出吊桿的拉力。

圖6 中拱肋吊桿實(shí)測吊桿力與設(shè)計(jì)吊桿力對比圖及兩者的相對差圖

測試結(jié)果表明 (見圖6),所有吊桿的實(shí)測吊 桿力與設(shè)計(jì)吊桿力的相對絕對值均小于10%,相對差最大值為7.3%,相對差大于5%的有12根拉索,占吊桿總數(shù)的21%。

5 靜載試驗(yàn)測試結(jié)果及分析

根據(jù)橋梁靜載試驗(yàn)并結(jié)合結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果,通過主要測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)安全使用性能進(jìn)行評定,通過主要測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)剛度狀況進(jìn)行綜合評定。撓度和應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值對比如表2和表3所示,其中應(yīng)力只選取了上游拱肋、系梁和中拱肋、系梁為例進(jìn)行了分析,應(yīng)力主要測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.75～0.92之間,平均值為0.86;撓度進(jìn)行了全面分析,撓度主要測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.60～0.71之間,平均值為0.67;主要測點(diǎn)卸載后的相對殘余應(yīng)變?yōu)?.7%～10.7%,相對殘余撓度為2.4%～8.2%,因此該橋具備良好的彈性回復(fù)能力。

表2 試驗(yàn)荷載作用下各截面主要測點(diǎn)撓度實(shí)測值與計(jì)算值比對表(單位：mm)

表3 試驗(yàn)荷載作用下各截面主要測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測值與計(jì)算值比對表 (單位：μ ε)

6 結(jié) 語

(1)采用鋼混組合材料模擬法將鋼管混凝土按單一的組合材料來進(jìn)行計(jì)算,考慮了鋼管和混凝土的相互作用,得到的剛度較大,較為準(zhǔn)確地計(jì)算了鋼管混凝土的內(nèi)力和應(yīng)力。

(2)是否考慮施工階段對三榀式鋼管混凝土拱橋的受力影響很小,因此在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計(jì)算時(shí),可以采用一次成橋的簡化方法計(jì)算。

(3)在對三榀式鋼管混凝土拱橋進(jìn)行位移變形分析時(shí),應(yīng)充分考慮施工階段對結(jié)構(gòu)撓度變形的影響。

(4)該橋采用頻率法測得的實(shí)際吊桿力與設(shè)計(jì)吊桿力吻合良好。

(5)主要測點(diǎn)的應(yīng)力、撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.60～0.92之間,應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于規(guī)范中所規(guī)定的1.00的上限,該橋在試驗(yàn)荷載作用下,結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(6)本文結(jié)構(gòu)分析沒有考慮材料非線性和幾何非線性的影響,與其實(shí)際情況有所差別,有待進(jìn)一步研究。

[1]JTG/T J21-2011,公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]交通部公路科學(xué)研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[Z].北京：交通部公路科學(xué)研究所,1982.