某上承式鋼筋混凝土拱橋靜載試驗分析

王 鵬，董加柱

(機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司)

某上承式鋼筋混凝土拱橋靜載試驗分析

王 鵬，董加柱

(機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司)

介紹了某大跨徑上承式鋼筋混凝土拱橋有限元分析軟件Midas/Civil模型，分析了成橋靜載試驗實際試驗值與理論計算值，探討了兩者不同的原因，總結(jié)出拱橋剛度和強度滿足設(shè)計要求的結(jié)論。試驗結(jié)果可為該橋的正常運營和養(yǎng)護、管理提供科學的依據(jù)，并可為同類型橋梁的設(shè)計和實驗研究提供參考。

上承式;鋼筋混凝土;拱橋;靜載試驗

拱橋是我國中小跨徑橋梁的主要橋型，面廣而量大，一直以來，隨著高速公路的建設(shè)，拱橋的計算和施工方法已經(jīng)比較成熟，然而，在使用過程中仍存在相當數(shù)量的橋梁由于老化的結(jié)構(gòu)材料，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷等諸多因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力減弱的現(xiàn)象。日益增多的重荷載車輛，不斷上長的交通流量是導(dǎo)致現(xiàn)有拱橋產(chǎn)生各類病害的主要原因之一。據(jù)了解，拱橋在國內(nèi)橋梁總數(shù)中占60%左右的比重，僅國內(nèi)西部就占到81%。所以，現(xiàn)有拱橋的承載能力評定便成為極其重要的工作，而靜載試驗法便是目前國內(nèi)外認可度較高的評價拱橋承載能力的主要途徑之一。

1 工程概況

該橋長為210 m，橋梁橫斷面為12.6 m。主橋為等截面懸鏈線上承式鋼筋混凝土無鉸拱橋，計算跨徑120 m，計算矢高24 m，矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)m=2.0。主拱圈采用等截面單箱三室截面，截面高度2.2 m，寬度8.6 m。拱上建筑采用梁柱式結(jié)構(gòu)。拱頂附近采用12×5 m鋼筋混凝土連續(xù)板。兩拱腳附近采用跨徑為(11+11+11)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板。設(shè)計荷載為公路－Ⅰ級，人群荷載3.5 kPa，電力電纜3 kN/m;支路，設(shè)計車速20 km/h。

2 試驗內(nèi)容及方法

2.1 建立仿真模型

上承式拱橋有著自身的受力特點，為了滿足拱橋結(jié)構(gòu)的特點兼顧設(shè)計荷載的要求，在試驗前要對橋梁的設(shè)計荷載效應(yīng)進行模擬，試驗后對實際試驗荷載效應(yīng)進行分析。本次試驗采用Midas/Civil對上述兩種情況進行模擬分析。

2.2 試驗荷載i

實際試驗荷載由載重試驗車輛及試驗車隊模擬，并且符合荷載等效原則，要求各個試驗車輛產(chǎn)生的荷載均約為400 kN。為了滿足試驗車輛總重浮動在5%以內(nèi)，軸重偏差浮動在10%以內(nèi)的要求，現(xiàn)場所需加載的試驗車輛應(yīng)在試驗前逐一編號、稱重，軸距及軸重應(yīng)詳細記載。

2.3 試驗要求及工況組成

靜載試驗主要測試在試驗荷載(設(shè)計荷載)作用下結(jié)構(gòu)的工作性能，包括整體工作性能、變形、應(yīng)變等情況，并對可能或已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫進行觀測。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式，計算確定在設(shè)計荷載作用下控制截面的最不利內(nèi)力。根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》的要求，橋梁的靜力試驗按荷載效率η來確定試驗的最大荷載。靜力荷載效率η的計算公式為:

式中:μ為靜力荷載試驗效率系數(shù);Ss為靜載試驗荷載作用下檢驗項目的計算效應(yīng)值;S為設(shè)計控制荷載作用下檢驗項目的最不利效應(yīng)值;對于車輛荷載應(yīng)計入沖擊系數(shù)。

靜載試驗依據(jù)公路橋梁荷載試驗規(guī)程的要求進行:大跨徑拱橋需要對拱圈拱頂位置、拱腳位置、拱圈四分之一跨處位置、拱上建筑支點和跨中位置的應(yīng)力及變形進行控制。依據(jù)汽車設(shè)計荷載在各控制位置產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，在相應(yīng)位置的荷載效應(yīng)影響線上實施試驗加載并進行計算，令設(shè)計汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)與試驗車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)之比滿足規(guī)范靜力試驗荷載效應(yīng)系數(shù)的要求。

各控制截面位置見圖1，其中A－E是主拱圈控制截面，F(xiàn)、G為拱上建筑控制截面。應(yīng)變測量采用埋入式振弦應(yīng)變計，主拱圈斷面?zhèn)鞲衅鞑贾靡妶D2。靜載試驗各個工況見表1。各個工況加載效率系數(shù)見表2。

圖1 控制截面位置圖

表1 靜荷載試驗工況和試驗?zāi)康?/p>

2.3 靜載試驗結(jié)果分析

(1)拱頂測點撓度實測結(jié)果

在試驗工況一、二、五的靜試驗荷載作用下，對拱頂?shù)膿隙冗M行現(xiàn)場觀測記錄。拱頂測點的撓度計算結(jié)果值和實測結(jié)果值的對比見表3。

表2 各工況加載效率系數(shù)

表3 試驗工況下拱頂測點撓度的實測結(jié)果值和計算結(jié)果值對比表(撓度正值表示向下)

對表3數(shù)據(jù)進行分析，校驗系數(shù)基本能夠滿足規(guī)范要求，各工況撓度計算結(jié)果值均大于實測結(jié)果值，由此證明該拱橋結(jié)構(gòu)的實際剛度大于設(shè)計剛度，能滿足設(shè)計荷載的要求，處于正常工作狀態(tài)。

(2)應(yīng)力測試結(jié)果

分別對主拱圈截面上、下表面的4個測點的應(yīng)力實測值進行平均得到平均值，與計算值進行對比，見表4。

表4對應(yīng)力實測結(jié)果平均值與模擬計算結(jié)果值進行比較，多數(shù)差別較小，由此推斷橋梁的內(nèi)力狀態(tài)處在正常的工作范圍，結(jié)構(gòu)整體剛度較好，結(jié)構(gòu)受力合理.但是也有相當一部分測試結(jié)果略大于計算結(jié)果，通過反復(fù)仿真模擬及綜合考慮現(xiàn)場不確定因素，歸結(jié)為以下幾個可能影響的因素: (1)傳感器的埋置位置偏離;(2)有限元分析對溫度應(yīng)力的考慮比較保守，與現(xiàn)場測試時的溫度有差異;(3)影響試驗結(jié)果因素多且無法準確把握，收縮、徐變對橋梁的受力影響只能采用橋梁有限元分析軟件Midas/Civil進行仿真模擬.。

表4 主拱圈頂、底板應(yīng)力實測結(jié)果和模擬結(jié)果

3 結(jié)論

本次試驗按照規(guī)范要求進行，試驗效率系數(shù)取值滿足規(guī)范要求，主拱圈的剛度與強度都符合設(shè)計要求.結(jié)構(gòu)處于良好的工作性能狀態(tài);結(jié)構(gòu)構(gòu)件在試驗過程中未觀察到明顯的沉降，并且沒有產(chǎn)生新的裂縫，正常使用狀態(tài)滿足設(shè)計要求.此次試驗的結(jié)果將為該橋的正常運營和養(yǎng)護、管理提供科學的依據(jù)，并可為同類型橋梁的設(shè)計和實驗研究提供參考。

［1］ 王文忠.簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋成橋動靜載試驗研究［J］.長春工程學院學報:自然科學版，2012(2):9－11，16.

［2］ 邵雨虹，王斌華，呂彭民.獐河溝拱橋有限元分析與試驗研究［J］.公路，2012，(3):57－61.

［3］ 王伯俞.多孔寬拱橋的有限元計算和成橋試驗［D］.長沙理工大學，2013.

［4］ 王濤.鋼管混凝土拱橋靜動載試驗研究［D］.長安大學，2009.

［5］ 王鵬.上承式拱橋混凝土箱形截面主拱圈溫度效應(yīng)研究［D］.吉林大學，2013.

U446

C

1008－3383(2015)10－0104－02

2015－03－25

王鵬(1987－)，男，河南溫縣人，助理工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究。