鋼管混凝土拱橋模型試驗綜述

鄭　健，林廣泰

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530011)

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鋼管混凝土拱橋模型試驗綜述

鄭健，林廣泰

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧530011)

文章根據(jù)目前鋼管混凝土拱橋截面形式的分類，對鋼管混凝土拱橋模型試驗內(nèi)容及結(jié)論進(jìn)行介紹，為工程實際以及后續(xù)學(xué)者的研究提供借鑒。

鋼管混凝土拱橋；極限承載力；模型試驗

0　引言

近年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑借強(qiáng)度高、塑性和韌性好、抗變形能力強(qiáng)以及跨越范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)公路橋梁和城市橋梁中發(fā)展迅猛，至今已超過三百座[1]。另一方面，拱橋結(jié)構(gòu)作為交通線上的重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)極限承載力不足而導(dǎo)致的整體安全問題，將造成嚴(yán)重后果。因此，開展鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)極限承載力研究是必要的。

模型試驗法作為研究結(jié)構(gòu)極限承載力的重要方法，直觀、可信，為工程建設(shè)提供了科學(xué)參考，為結(jié)構(gòu)理論分析提供數(shù)據(jù)支撐，是檢驗數(shù)值理論正確性的重要依據(jù)，同時也是鞏固結(jié)論正確性的主要手段之一。近些年來，眾多學(xué)者開展過大量的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)模型試驗，根據(jù)鋼管混凝拱橋截面形式的不同，可將其分為肋式模型試驗和桁式模型試驗。

1　肋式模型試驗

如圖1所示，根據(jù)截面形狀的不同，鋼管混凝土肋式拱橋主要可分為圓形截面和啞鈴型截面兩種。

(a)圓形

(b)啞鈴型

圓鋼管混凝土抗壓強(qiáng)度好而抗彎強(qiáng)度低，因而主要應(yīng)用于80 m以下的城市橋梁和人行橋中。拱橋中絕大部分為啞鈴型斷面，其通常用在中小跨徑的鋼管混凝土拱橋設(shè)計中，跨徑通常在100 m左右[2]。

1.1圓鋼管混凝土肋拱模型試驗

根據(jù)圓鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為平面結(jié)構(gòu)模型拱試驗和空間結(jié)構(gòu)模型拱試驗。

1.1.1平面結(jié)構(gòu)模型拱試驗

2000-2003年，陳寶春進(jìn)行了多個鋼管混凝土(單圓管)肋拱面內(nèi)受力模型試驗[3-8]，其中：(1)一組模型試驗以福建福安群益大橋為背景，設(shè)計跨徑為4.6 m，選用φ76×3.792mm的鋼管，內(nèi)灌C40的混凝土，共2個模型，一個沿跨徑方向1/4截面處作用豎向集中荷載，另一個沿跨徑方向1/2跨截面處施加豎向集中荷載。試驗表明鋼管混凝土具有良好的彈塑性性能和較高的承載能力，且非對稱加載為結(jié)構(gòu)的不利荷載工況。(2)另一組模型以福建省福鼎市山前大橋為背景，設(shè)計跨徑為7.5m，拱肋選用φ121×4.5mm的鋼管，鋼管內(nèi)灌混凝土，分別進(jìn)行了兩根鋼管肋拱、兩根鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱和全跨均為兩根鋼管混凝土的肋拱模型試驗，加載方式分別為同一側(cè)兩點(diǎn)集中荷載的非對稱荷載和沿跨徑的六分點(diǎn)截面處施加集中荷載的五點(diǎn)對稱加載結(jié)構(gòu)。試驗研究表明，與鋼管拱相比，鋼管混凝土拱剛度大、承載力高并具有良好的彈塑性工作性能，此外，通過對兩點(diǎn)非對稱加載試驗和五點(diǎn)對稱加載試驗的比較，表明了非對稱加載是結(jié)構(gòu)的不利工況。2015年，吳欣榮制作了三種不同矢跨比的鋼管混凝土拋物線拱試件[9]，并分別進(jìn)行了單點(diǎn)加載(包括拱頂加載和四分點(diǎn)加載)、五點(diǎn)對稱加載試驗，分析得到不同矢跨比下結(jié)構(gòu)的破壞模式、極限承載力及鋼管對混凝土約束作用的影響。

1.1.2空間結(jié)構(gòu)模型拱試驗

1997年，楊永清制作了兩個空間鋼管混凝土肋拱試驗，對平行雙肋拱和X型雙肋拱(提籃拱)在面內(nèi)荷載和面外荷載共同作用下的全過程試驗[10-11]，試驗表明了X型雙肋拱比平行肋拱的極限承載力低9.1%，并通過與鋼筋混凝土拱橋?qū)Ρ龋砻髁虽摴芑炷辆哂谐休d力高的優(yōu)勢。2004年，崔軍以淳安南浦大橋為背景，開展了全橋模型試驗[12-13]，模型試驗對荷載工況進(jìn)行了對比研究，并表明了半跨加載時的應(yīng)變和撓度均大于全跨加載，這說明半跨加載是不利的荷載工況。2005年陳寶春以福鼎市山前大橋為工程背景，進(jìn)行了鋼管(單圓管)混凝土拱橋空間受力試驗研究[14-15]，拱肋面內(nèi)采用豎向五點(diǎn)對稱加載，并在拱頂處施加一垂直于面內(nèi)的面外集中荷載，大小為面內(nèi)單點(diǎn)豎向荷載的10%；試驗表明結(jié)構(gòu)面內(nèi)的受力對面內(nèi)拱軸線的偏差(初始缺陷)的敏感性大于面外受力對拱軸線面外偏差的敏感性，且較小的橫向荷載將引起肋拱較大的橫向變形，面外變形是結(jié)構(gòu)極限承載力的重要控制因素。

1.2啞鈴型鋼管混凝土模型拱試驗

2003年，曾國鋒開展了啞鈴型鋼管混凝土拱肋的極限承載力試驗[16-17]、錢江四橋雙層橋面的全橋模型試驗[18-19]。模型拱肋試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在沿跨徑1/4截面處施加集中荷載，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)反對稱變形，在兩拱腳以及拱頂?shù)浇孛嬷g處某截面出現(xiàn)塑性區(qū)，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的延性特點(diǎn)。對于模型橋雙層橋面，無論是對稱加載還是偏載，鋼管拱肋和系梁的應(yīng)力、變形均較小，結(jié)構(gòu)處于彈性受力范圍內(nèi)。這證實了實橋在設(shè)計荷載作用下，結(jié)構(gòu)有較大安全富余。2009年，陳寶春、盛葉進(jìn)行了兩個啞鈴型鋼管混凝土肋拱試驗，分別沿跨徑方向1/2截面和1/4截面處施加集中荷載。試驗結(jié)果表明：啞鈴型鋼管混凝土肋拱在加載全過程中拱肋無局部屈曲現(xiàn)象，具有良好的彈塑性性能和較高的承載力，與圓鋼管混凝土肋拱有相似的面內(nèi)受力性能[20]。2015年，韋建剛、李曉輝等人對啞鈴型鋼管混凝土肋拱空間受力性能開展了試驗研究[21]，面內(nèi)分別沿跨徑六分點(diǎn)截面處施加集中荷載，并在拱頂施加垂直于面內(nèi)的橫向面外荷載，大小為單點(diǎn)豎向力的10%，研究表明了結(jié)構(gòu)面內(nèi)以受壓為主，而面外則以外彎矩為主，結(jié)構(gòu)最后發(fā)生了整體面外失穩(wěn)破壞，其承載力由面外受力狀況和變形控制。

2　桁拱模型試驗

桁式拱肋較拱肋橋具有較好的受力特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大跨度鋼管混凝土拱橋中，其常見的截面形式是空間桁式拱肋和勁性骨架箱型肋(如圖2所示)。這兩種形式都具有較大的縱橫向抗彎剛度，多用于跨徑在200m以上的拱橋中[2]?？臻g桁式拱中，常見的截面形狀為橫啞鈴型桁式、混合式和多肢式等等。其中，橫啞鈴型桁式和四肢式最為普遍。

圖2鋼管混凝土桁拱拱肋截面形式示意圖

2015年，黃福云、錢海敏等進(jìn)行了截面形狀為四肢式的鋼管混凝土桁式拱結(jié)構(gòu)試驗，并在拱頂處施加豎向集中荷載試驗，研究表明，桁拱具有良好的整體性能和塑性抗變形能力[22]。

3　結(jié)語

文中對目前鋼管混凝土拱橋模型試驗進(jìn)行了歸納，并對各個模型試驗的研究內(nèi)容以及相應(yīng)的結(jié)論進(jìn)行了介紹，為工程實際提供良好的參考，同時也為后續(xù)學(xué)者的研究提供了有益的借鑒。

[1]陳寶春，劉福忠，韋建剛.327座鋼管混凝土拱橋的統(tǒng)計分析[J].中外公路，2011，31(3)：102-109.

[2]滕啟杰.鋼管混凝土拱橋的極限承載力研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[3]陳寶春，陳友杰.鋼管混凝土肋拱面內(nèi)受力全過程試驗研究[J].工程力學(xué)，2000，17(2)：43，44-50.

[4]陳寶春，韋建剛.管拱面內(nèi)五點(diǎn)對稱加載試驗及其承載力簡化算法研究[J].工程力學(xué)，2007，24(6)：73-78.

[5]陳寶春，韋建剛，林英.管拱面內(nèi)兩點(diǎn)非對稱加載試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2006，39(1)：43-49.

[6]林英.鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋面內(nèi)受力性能試驗研究[D].福州：福州大學(xué)，2000.

[7]秦澤豹.鋼管混凝土單圓管肋拱極限承載力研究[D].福州：福州大學(xué)，2003.

[8]韋建剛.鋼管混凝土對稱彎壓拱分支點(diǎn)失穩(wěn)問題研究[D].福州：福州大學(xué)，2002.

[9]吳欣榮.鋼管混凝土拱施工階段抗風(fēng)性能與成橋階段穩(wěn)定性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[10]王宇，何廣漢，楊永清，等.鋼管混凝土肋拱的橫向穩(wěn)定性分析[J].工程力學(xué)，1998，15(2)：356-361.

[11]楊永清.鋼管混凝土拱橋橫向穩(wěn)定性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，1998.

[12]崔軍，孫炳楠，樓文娟，等.鋼管混凝土桁架拱橋模型試驗研究[J].工程力學(xué)，2004，21(5)：83-86.

[13]崔軍.大跨度鋼管混凝土拱橋受力性能分析[D].浙江：浙江大學(xué)，2003.

[14]陳寶春，韋建剛，林嘉陽.鋼管混凝土(單圓管)單肋拱空間受力試驗研究[J].工程力學(xué)，2006，23(5)：99-106.

[15]林嘉陽.鋼管混凝土(單圓管)單肋拱空間受力研究[D].福州：福州大學(xué)，2004.

[16]曾國鋒，范立礎(chǔ)，章關(guān)永.應(yīng)用復(fù)合梁單元實現(xiàn)鋼管混凝土拱橋的極限承載力分析[J].鐵道學(xué)報，2003，25(5)：97-102.

[17]曾國鋒.鋼管混凝土系桿拱橋極限承載力研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2003.

[18]石志源，王博，曾明根.雙層橋面鋼管混凝土拱橋試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計及理論分析[J].橋梁建設(shè)，2003(4)：34-36.

[19]王博.雙層橋面鋼管混凝土系桿拱橋模型試驗研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2003.

[20]陳寶春，盛葉.鋼管混凝土啞鈴形拱面內(nèi)極限承載力研究[J].工程力學(xué)，2009，26(9)：94-104.

[21]韋建剛，李曉輝，陳禮榕，等.鋼管混凝土啞鈴形截面拱空間受力性能試驗研究[J].工程力學(xué)，2015，32(11)：79-86.

[22]黃福云，錢海敏，陳寶春，等.鋼管混凝土桁式拱結(jié)構(gòu)平面內(nèi)受力性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36(12)：120-128.

Summary of CFST Arch Bridge Model Test

ZHENG Jian，LIN Guang-tai

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

According to the current cross-section form classification of CFST arch bridges，this article introduced the content and conclusions of CFST arch bridge model tests，thereby providing the reference for the engineering practices and the study of subsequent scholars.

CFST arch bridge；Ultimate bearing capacity；Model test

U448.34

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.017

1673-4874(2016)07-0066-03

2016-05-30

鄭健(1990—)，碩士，研究方向：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)安全性；

林廣泰(1989—)，碩士，研究方向：組合橋梁混凝土結(jié)構(gòu)。