郭月哲
(山西省交通科學(xué)研究院,山西太原 030006)
鋼管混凝土拱橋自20世紀(jì)90年代引入我國。其以結(jié)構(gòu)受力合理、跨越能力強(qiáng)、外型輕盈等特點(diǎn)正逐漸成為大中跨橋梁設(shè)計(jì)中有競爭力的橋型。鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)形式多樣、拱肋樣式富于變化,因此其動力特性具有自身特點(diǎn);目前對鋼管混凝土拱橋還沒有建立起有針對性的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,且該橋型尚未經(jīng)歷大震的考驗(yàn),對其抗震性能的掌握大多通過數(shù)值模擬分析。振動臺試驗(yàn)是了解結(jié)構(gòu)抗震性能的有效手段,介于以上可見有必要通過試驗(yàn)研究掌握鋼管混凝土拱橋的動力特性及抗震性能。
本文以某下承式鋼管混凝土拱橋?yàn)樵?,通過剛度轉(zhuǎn)換制作了單一材料的試驗(yàn)?zāi)P?,?shí)施了以研究其抗震性能的振動臺試驗(yàn)[1]。通過整理分析,掌握了該橋型受不同地震波、在不同烈度等級作用下地震響應(yīng)的特點(diǎn)及規(guī)律,得出了一些有益的結(jié)論。
本次試驗(yàn)原型為某下承式鋼管混凝土系桿拱橋。該橋主跨跨徑99 m,矢跨比1/5,拱肋線形為二次拋物線。拱肋為啞鈴形截面,采用雙肢φ800 mm鋼管加中部間距500 mm的鋼板一對構(gòu)成,管壁鋼板12 mm厚,內(nèi)填C40混凝土。拱腳處拱肋下部加勁為矩形斷面。肋間設(shè)一字撐四道,截面為φ600 mm空心鋼管。拱腳間用鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力系桿,以承擔(dān)恒載作用下的拱腳水平推力。每肋下的系桿為12根,每根為9束φ15.2 mm(7φj5)的鋼絞線。吊桿為110φ5高強(qiáng)低松弛鋼絲。吊桿橫梁為鋼筋混凝土工字梁。吊桿間距6 m。為加強(qiáng)橋面系的整體性,在系桿處設(shè)加勁縱梁。橋面板為預(yù)制鋼筋混凝土板,濕接縫聯(lián)結(jié)。橋面鋪裝為10 cm厚的C30防水鋼筋混凝土。振動臺試驗(yàn)在單向電液伺服振動臺上完成。該振動臺臺面尺寸為2 m×2.2 m,最大載荷4.5 t,最大加速度1.0g,最大速度100 cm/s,可輸入規(guī)則波和不規(guī)則波,有效頻率范圍為 0.5 Hz~20 Hz。
為了更詳實(shí)反映結(jié)構(gòu)的動力特性及地震響應(yīng)特點(diǎn),試驗(yàn)?zāi)P蛶缀蜗嗨票壤?/30??紤]到在試驗(yàn)室該相似比例下試驗(yàn)?zāi)P图庸さ碾y易程度及研究掌握結(jié)構(gòu)整體抗震性能的試驗(yàn)?zāi)康牡仍颍驹囼?yàn)按照截面換算法,通過剛度相似關(guān)系,將原型拱肋鋼管混凝土截面轉(zhuǎn)化為純鋼截面再予以縮尺。截面剛度轉(zhuǎn)換公式為:
其中,Ea,Eg,E分別為鋼管混凝土中混凝土、鋼管的彈性模量與換算截面的材料彈性模量;Aa,Ag,A分別為鋼管混凝土中混凝土、鋼管的截面面積與換算截面的截面面積;Ia,Ig,I分別為鋼管混凝土中混凝土截面、鋼管截面在組合截面中的截面慣性矩與換算截面的組合截面慣性矩;γa,γg,γ分別為鋼管混凝土中混凝土、鋼管的剪切模量與換算截面的材料剪切模量。
以式(1),式(2)為主要計(jì)算依據(jù);式(3)為參考。
縮尺后純鋼試驗(yàn)?zāi)P涂鐝?.3m,矢高0.66m,拱肋仍保持二次拋物線線形。其中構(gòu)件截面具體尺寸如圖1所示。試驗(yàn)?zāi)P驮跈C(jī)械構(gòu)件加工廠完成,細(xì)部尺寸誤差控制在5 mm以內(nèi)。
圖1 模型各細(xì)部截面尺寸
由于振動臺最大荷載限制,試驗(yàn)?zāi)P蛯?shí)際配重4 t,處于配重不足狀態(tài)。根據(jù)相似理論及橋梁動力試驗(yàn)相關(guān)理論,欠配重模型試驗(yàn)各相似關(guān)系見表1。
表1 模型相似關(guān)系
拱橋模型安裝示意圖見圖2a)。試驗(yàn)制作輔助支座一對,模型一端通過固定支座與振動臺臺面螺栓剛性連接;另一端架設(shè)于滑動支座上,放于臺面外。試驗(yàn)用滑動支座見圖2b)。
圖2 模型安裝
1)模型加載。試驗(yàn)?zāi)P团渲乜傆?jì)4 t,為了貼近原型實(shí)際工況,按照原型上部構(gòu)件(拱肋和橫撐)質(zhì)量與下部構(gòu)件(橫梁、縱梁等)質(zhì)量的比值進(jìn)行分配。其中試驗(yàn)?zāi)P蜕喜颗渲?.5 t,下部配重1.5 t。分部位配重情況見圖3。
圖3 模型加載步驟
2)輸入地震波選取。試驗(yàn)中為了掌握釋放能量方式不同的地震波作用下可能的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的區(qū)別,輸入地震波選取了釋放能量集中的EICentro波或較均勻的Taft波作為輸入波形。經(jīng)過相似關(guān)系處理后,試驗(yàn)加速度控制在6度基本60 gal,7度基本120 gal,8度基本240 gal。其中EICentro波持時(shí)5 s;Taft波持時(shí)9 s。圍繞基本烈度,同時(shí)試驗(yàn)加載工況中在區(qū)分烈度等級上還做了多遇、基本、罕遇、重要結(jié)構(gòu)罕遇等工況。
3)傳感器測點(diǎn)布置。本次拱橋模型振動臺試驗(yàn)量測內(nèi)容包括:加速度監(jiān)測、位移量測和應(yīng)變量測。其中加速度監(jiān)測通過在振動臺臺面及滑動支座端設(shè)置加速度計(jì),監(jiān)測輸入地震波波形及峰值大小,圖4為試驗(yàn)監(jiān)測的8度基本工況下的EICentro波和Taft波,波形完整。
圖4 試驗(yàn)輸入波形
位移量測是通過在試驗(yàn)?zāi)P透黠@著截面布設(shè)縱向和屬相位移計(jì),量測臺面和拱肋各顯著截面的位移變形時(shí)程,見圖5。
為了掌握模擬地震波輸入過程中拱肋內(nèi)力的變化規(guī)律,分別在拱腳、拱肋1/4跨和拱頂?shù)裙袄呓孛鎮(zhèn)让嫜剌S向粘貼應(yīng)變片,量測拱肋軸向應(yīng)變。
振動臺試驗(yàn)開始前對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了錘擊試驗(yàn),測定模型拱肋面外及縱橋向自振頻率,見表2。表2中附加了有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)前兩階振型:拱肋面外側(cè)彎及拱肋和橋面板對稱豎彎對應(yīng)的振動頻率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示結(jié)構(gòu)側(cè)向自振頻率明顯小于縱向振動頻率,符合通常對下承式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)輕盈,側(cè)向剛度小的直觀判斷。
表2 結(jié)構(gòu)振動頻率對比 Hz
構(gòu)件表面準(zhǔn)確應(yīng)變的變化能夠很好描述其表面應(yīng)力的變化趨勢。試驗(yàn)中試通過量測拱肋表面軸向應(yīng)變來掌握和分析拱肋應(yīng)力的變化規(guī)律。如表3所示EI波和Taft波作用下,6度,7度,8度基本烈度工況下拱肋各顯著截面的應(yīng)變最值。同一地震烈度下,拱腳到拱頂?shù)膽?yīng)變最值呈遞減關(guān)系,約為拱頂應(yīng)變的6倍~8倍。反映出拱頂應(yīng)力較小,拱腳軸向應(yīng)力起設(shè)計(jì)控制作用。
如圖6所示EI波8度烈度下拱肋拱腳、1/4跨、拱頂應(yīng)變時(shí)程曲線。拱肋內(nèi)力顯著截面的應(yīng)變時(shí)程曲線波形接近地震波輸入波形。
圖6 EICentro波8度烈度應(yīng)變時(shí)程曲線
與拱肋位移響應(yīng)規(guī)律相反,同一烈度同一顯著截面中能量集中釋放的EI波作用下拱肋軸向應(yīng)變峰值大于能量分散釋放的Taft波作用下的峰值。
1)通過分析模型在EI波和Taft波不同烈度作用下結(jié)構(gòu)各顯著截面的應(yīng)變響應(yīng),顯示同一波形作用,不同烈度工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)提高顯著,增幅接近烈度提高比例;同一烈度下拱頂處應(yīng)變時(shí)程曲線整體表現(xiàn)為拉應(yīng)變,約為拱腳應(yīng)變的1/8。符合拱頂主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力的受力特征。
表3 試驗(yàn)各工況應(yīng)變最值
2)同一波形作用下,拱腳、1/4跨處應(yīng)變時(shí)程曲線線形與地震波波形一致。
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