預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋試驗研究

黃偉，吳澤

（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032）

預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋試驗研究

黃偉，吳澤

（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032）

設(shè)計4種荷載工況并合理布置測點，對預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋進行實橋載荷試驗，同時進行有限元建模分析，并將試驗結(jié)果和有限元模擬結(jié)果進行比較。實橋載荷試驗結(jié)果表明在對稱荷載作用下曲線箱梁橋跨中截面內(nèi)側(cè)應(yīng)力大于外側(cè)應(yīng)力；通過有限元模型對不同曲率曲線梁橋剪力滯效應(yīng)的分析結(jié)果表明：跨中截面剪力滯系數(shù)在不同曲率下均為外側(cè)小、內(nèi)側(cè)大的非對稱分布，且隨著曲率半徑減小，非對稱分布特征越加明顯。

曲線梁橋；載荷試驗；有限元模擬；剪力滯效應(yīng)

近年來，隨著我國高等級公路和城市交通大規(guī)模的擴張，曲線梁橋結(jié)構(gòu)以其特有的橋型和對地形的高適應(yīng)性，在交通工程得到廣泛的使用。然而由于曲率的存在，曲線梁橋結(jié)構(gòu)在恒載或活荷載作用下會產(chǎn)生“彎-扭”耦合效應(yīng)。在對已建曲線梁橋檢查維護中發(fā)現(xiàn)，曲線梁橋常見病害[1-2]包括梁體扭轉(zhuǎn)變形、側(cè)向變形、外沉內(nèi)翹、內(nèi)側(cè)支座壓力儲備不足或脫空、爬坡和翻轉(zhuǎn)等。曲線梁橋出現(xiàn)上述危害的主要原因之一在于對該類橋型“彎-扭”耦合效應(yīng)認識不足。因此，對曲線梁橋“彎-扭”耦合效應(yīng)進行深入的研究顯得尤為重要。同時，由于曲率的存在使得曲線梁橋理論計算變得非常復(fù)雜，在設(shè)計中很難使用解析法精確分析主梁的受力性能，通過實橋載荷試驗可以直觀地研究曲線梁橋受力狀況。目前國內(nèi)外已有研究者對曲線梁橋進行試驗研究，通過實橋模型試驗和有限元模擬[3]分析，取得了一定的成果。研究[4]表明，曲率半徑的變化對曲線梁橋扭矩影響較大，而對縱向彎矩影響不大，隨著曲率半徑的減小，其“彎-扭”耦合效應(yīng)愈加明顯，所以小半徑曲線梁橋的受力受力狀況更應(yīng)引起人們的重視。本文以某曲線梁橋載荷試驗為基礎(chǔ)，對該類橋梁的實際受力狀況進行探討。

1 工程概況及試驗研究方案

1.1 工程概況

以某市秀山湖橋為對象。該橋分東、西兩幅，其中：東幅橋第一聯(lián)位于圓曲線上，曲率半徑R=70 m，跨徑布置為3×25 m；西幅橋第一聯(lián)位于曲率半徑R=100 m的圓曲線上，跨徑布置為4×25 m。兩幅橋均采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，截面為單箱單室，頂板寬為7 m+2×0.5 m=8 m，底板寬為4.5 m，梁高1.4 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩，變截面花瓶式造型墩身。橋梁設(shè)計荷載為：公路-Ⅱ級。

1.2 試驗研究方案

曲線梁橋載荷試驗[5-7]是了解曲線梁橋?qū)嶋H受力狀況最有效的方法，通過測量梁橋結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下各控制截面的位移和應(yīng)力，對比有限元分析結(jié)果，驗證有限元模型準確性并以其為基礎(chǔ)進行探討。

以曲率最大的東幅橋第一聯(lián)為研究對象，試驗選取第一、二跨跨中最不利截面為試驗控制截面，見圖1。圖中A-A截面和 C-C截面分別為一、二跨正彎矩值最大處截面，B-B截面和D-D截面分別為2#、3#支座處截面。在各控制截面底板處分別布置3個應(yīng)變傳感器和3個撓度傳感器，應(yīng)變測點和撓度測點的布置見圖2，3。

試驗分4種工況進行加載，加載工況見表1。試驗中使用汽車荷載模擬橋梁設(shè)計荷載，通過彎矩等效原則計算，確定采用4輛三軸載重汽車位試驗荷載，車重為350 kN。各工況試驗效率在0.95～1.03之間，滿足規(guī)范對試驗效率的要求。各工況試驗加載車輛布置見圖4～7。

1.3 有限元建模

由于預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋結(jié)構(gòu)為空間受力體系，計算復(fù)雜，故采用有限元軟件ANSYS建模[8]并分析。文中曲線梁橋上部結(jié)構(gòu)和墩柱均采用空間實體單元模擬，橋面鋪裝采用空間板單元模擬，橋梁盆式橡膠支座采用三向彈簧單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用桿單元模擬。根據(jù)橋梁實際情況建立模型，分別計算在各試驗工況下主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與撓度。具體模型見圖8，9。

表1 加載工況Tab.1 Loading mode

2 試驗結(jié)果及分析

1)工況1，3

工況1，3荷載作用時，測試截面的實測值與模擬值對比見表2，3。

表2 工況1時各測點應(yīng)變與撓度測試結(jié)果Tab.2 Strain and deflection of measuring points under condition 1

表3 工況3時各測點應(yīng)變與撓度測試結(jié)果Tab.3 Strain and deflection of measuring points under condition 3

由表2，3可以看出，在工況1，3荷載作用下，各測點的應(yīng)變和撓度的實測值均小于模擬值，且實測值和模擬值的變化趨勢相同，表明本文所建有限元模型能很好地模擬曲線梁橋受力性能。模擬值和實測值均表明在抗扭試驗荷載作用下，試驗截面處1#測點撓度值大于3#測點撓度值，主梁向外側(cè)扭轉(zhuǎn)，說明曲線梁橋在荷載作用下會產(chǎn)生“彎-扭”耦合效應(yīng)。

由應(yīng)變結(jié)果可知，在抗扭試驗荷載作用下，1#測點應(yīng)變值與2#測點應(yīng)變值之比大于2#測點應(yīng)變值與3#測點應(yīng)變值之比，曲線梁橋外側(cè)應(yīng)變變化更加明顯。A-A截面內(nèi)外側(cè)應(yīng)變比值為0.72，C-C截面內(nèi)外側(cè)應(yīng)變比值為0.95，表明曲線梁橋在荷載作用下存在內(nèi)側(cè)卸載外側(cè)超載的現(xiàn)象。

2)工況2，4

工況2，4荷載作用時，測試截面的實測值與模擬值對比見表4，5。

表4 工況2時各測點應(yīng)變與撓度測試結(jié)果Tab.4 Strain and deflection of measuring points under condition 2

表5 工況4時各測點應(yīng)變與撓度測試結(jié)果Tab.5 Strain and deflection of measuring points under condition 4

由表4，5可以看出，應(yīng)變和撓度的實測值均小于模擬值，且變化趨勢相同，表明該橋承載力滿足設(shè)計要求。模擬值和實測值均顯示曲線梁橋的外側(cè)撓度值大于內(nèi)側(cè)撓度值，說明橋梁在試驗荷載作用下呈現(xiàn)向外側(cè)扭轉(zhuǎn)趨勢。A-A截面底板內(nèi)外側(cè)撓度差大于C-C截面底板內(nèi)側(cè)測撓度差，表明在試驗荷載作用下，邊跨的扭轉(zhuǎn)變形大于中跨，即在設(shè)計荷載作用下，曲線梁橋邊跨扭轉(zhuǎn)變形更為不利。

由應(yīng)變結(jié)果可知，在抗扭彎驗荷載作用下，1#測點應(yīng)變值大于3#測點應(yīng)變值，說明在試驗截面處內(nèi)側(cè)底板受力更為不利，但數(shù)值相差不大。導(dǎo)致這種情況的發(fā)生是由于曲線箱梁橋中存在著剪力滯效應(yīng)。

3 曲線梁橋剪力滯效應(yīng)

從上述試驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在對稱荷載作用下，曲線箱梁橋各跨跨中截面內(nèi)側(cè)底板和腹板應(yīng)變值大于外側(cè)應(yīng)變值，而內(nèi)側(cè)豎向位移小于外側(cè)。文獻[9]中關(guān)于曲線PC箱梁橋承載力試驗研究中也表明在豎向?qū)ΨQ荷載作用下，主梁跨中截面內(nèi)側(cè)受力更為不利。曲線梁橋的這種受力特點是由于曲線箱梁橋剪力滯效應(yīng)[10]引起的。

直線箱梁橋中，跨中截面處剪力滯效應(yīng)沿箱梁中心線對稱，故而截面內(nèi)外側(cè)應(yīng)力呈對稱分布。在曲線梁橋中，由于“彎-扭”耦合效應(yīng)的存在，跨中截面剪力滯效應(yīng)呈現(xiàn)非對稱分布。曲線箱梁橋的剪力滯系數(shù)λ為

分別選取曲率半徑為50，70，100，120 m和直梁橋5中不同半徑曲線梁橋進行模擬，其它參數(shù)不變，分析在設(shè)計活荷載作用下邊跨和中跨跨中截面剪力滯系數(shù)。根據(jù)模擬計算結(jié)果得出的箱梁邊跨和中跨跨中底板剪力滯系數(shù)分布見圖10，圖中橫坐標數(shù)字表示箱梁底板寬度10等分之節(jié)點。

由圖10可以看出，在對稱荷載作用下，曲線箱梁橋跨中截面內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)不同，內(nèi)側(cè)底板剪力滯系數(shù)大于外側(cè)底板剪力滯系數(shù)；隨著曲率半徑增大，外側(cè)底板λ值逐漸增大，內(nèi)側(cè)底板λ值逐漸減小，內(nèi)外側(cè)底板剪力滯系數(shù)差逐漸減小，當(dāng)曲率半徑較大時，曲線梁橋剪力滯效應(yīng)與直梁橋接近，沿板底呈對稱分布。相比中跨跨中截面剪力滯系數(shù)分布曲線，邊跨跨中截面剪力滯系數(shù)分布曲線較為平緩，表明邊跨跨中截面底板內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差值小于中跨。

在對稱荷載作用下，由于曲線箱梁橋跨中截面剪力滯系數(shù)的不對稱分布，使其截面內(nèi)側(cè)應(yīng)力大于外側(cè)應(yīng)力，內(nèi)側(cè)受力更為不利，所以在曲線箱梁橋的設(shè)計中，應(yīng)考慮剪力滯效應(yīng)帶來的影響。

4 結(jié) 論

通過秀山湖曲線梁橋的模擬計算和載荷試驗研究，得出以下結(jié)論：

1)采用空間實體單元和其它空間單元相結(jié)合的有限元分析法能有效的模擬曲線梁橋的受力情況；

2)在豎向荷載作用下，主梁產(chǎn)生豎向位移的同時產(chǎn)生向外側(cè)扭轉(zhuǎn)變形，表現(xiàn)出明顯的“彎-扭”耦合效應(yīng)；

3)在對稱荷載作用下，由于剪力滯效應(yīng)影響，曲線梁橋各跨跨中截面應(yīng)力分布為內(nèi)側(cè)大外側(cè)??；

4)不同曲率下曲線箱梁橋跨中截面剪力滯系數(shù)均為外側(cè)小、內(nèi)側(cè)大的非對稱分布，且隨著曲率半徑的減小，非對稱分布特征越加明顯。

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責(zé)任編輯：丁吉海

Research on the Test of Prestressed Concrete Curved Box-girder

HUANG Wei,WU Ze
(School of Civil Engineering&Architecture,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China)

Four load conditions were designed and the reasonable measuring points were arranged in the prestressed concrete curved girder bridge,and results of the loading tests and these of the built finite element model analysis were analyzed and compared.The results of the bridge load testing show that with the effect of symmetrical loads the inside stress of the mid-span section is larger than that of the outside in the curved girder bridges.The result of the shear-lag effect analysis,using the finite element models with the different curvature curved girder,showed that the shear-lag coefficient was distributed asymmetrically with the characteristics of the outside is smaller and the inside is large in the mid-span section,and the asymmetric distribution became apparent with the decrease of curvature radius.

curved girder bridge;finite-element simulations;load test;shear-lag effect

U448.42

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.014

2014-04-25

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2007BAE30B05)；馬鞍山市科學(xué)技術(shù)項目(馬科2011-X-09)；馬鞍山市科學(xué)技術(shù)項目(馬科2012-X-15)

黃偉(1963-)，男，安徽馬鞍山人，教授，主要從事建筑抗震、既有建、構(gòu)筑物性能鑒定研究。

1671-7872(2015)-02-0163-05