拱形結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)加載工藝研究與應(yīng)用

周蓉峰 周 錚 滕延鋒 賈吉敏

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 研究背景

在拱形結(jié)構(gòu)的足尺試驗(yàn)中，經(jīng)常使用液壓油缸、重物等模擬各種外荷載對(duì)拱形結(jié)構(gòu)的加載[1-5]，測(cè)試拱結(jié)構(gòu)在不同工況下的力學(xué)性能。

現(xiàn)有的拱形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置如圖1所示，由拱形結(jié)構(gòu)和鐵砂層組成，鐵砂層作為重物放置在拱形結(jié)構(gòu)的上方，以此方式對(duì)拱形結(jié)構(gòu)施加外荷載。對(duì)于大型拱形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)而言，由于外荷載較大，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供液壓油缸使用的大型反力設(shè)備；而鐵砂的密度相對(duì)較小，需要的鐵砂量較多，往往需要數(shù)米高度的鐵砂才能等效結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載，高寬比過大將對(duì)拱形結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)鐵砂是一種散粒狀材料，豎直堆放時(shí)不僅產(chǎn)生需要的豎向荷載，還將產(chǎn)生有害的側(cè)向荷載。為了平衡上述側(cè)向荷載，往往需要設(shè)計(jì)非常笨重的側(cè)向支撐裝置[4-7]。

因此，對(duì)于足尺的大型拱形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)而言，已經(jīng)無(wú)法再使用液壓油缸或者鐵砂等散粒材料作為加載裝置，需要提出一種新的加載工藝來(lái)解決上述問題。

圖1 現(xiàn)有的拱形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)加載裝置

針對(duì)現(xiàn)有加載方法中存在的加載高度大、側(cè)向力大、加載不方便等問題，本文首先提供一種適用于拱形結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)的加載裝置。該加載裝置由起重機(jī)配重鐵塊和設(shè)置于拱形結(jié)構(gòu)上表面的多組堆載基礎(chǔ)組成，如圖2、圖3所示。

圖2 起重機(jī)的配重鐵塊

圖3 拱形結(jié)構(gòu)的堆載基礎(chǔ)

起重機(jī)的配重鐵塊是起重機(jī)工作時(shí)的反力裝置，是起重機(jī)不可缺少的工作構(gòu)件，其來(lái)源廣泛，市場(chǎng)上容易找到。在進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，采用配重鐵塊代替鐵砂進(jìn)行加載，具有可重復(fù)使用、降低成本的優(yōu)點(diǎn)；配重鐵塊是純鐵構(gòu)件，密度為7.85 t/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵砂的密度，因此堆載的高度要遠(yuǎn)小于鐵砂的堆載高度；同時(shí)配重鐵塊為固體，堆載時(shí)不產(chǎn)生側(cè)向荷載，從而不需要側(cè)向支撐裝置；配重鐵塊一般使用標(biāo)準(zhǔn)模具制作，質(zhì)量和尺寸均為標(biāo)準(zhǔn)值，在試驗(yàn)中容易控制加載量。因此，采用起重機(jī)的配重鐵塊作為重物對(duì)拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，具有加載高度低，無(wú)側(cè)向荷載和加載量容易控制等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于大型拱形結(jié)構(gòu)而言，為有效地降低結(jié)構(gòu)中的彎矩，拱結(jié)構(gòu)的起拱量一般比較大，造成拱結(jié)構(gòu)表面的曲率較大。當(dāng)直接將配重鐵塊放置于拱結(jié)構(gòu)表面時(shí)，配重鐵塊在重力切向分力的作用下，容易發(fā)生向下滑動(dòng)，導(dǎo)致試驗(yàn)加載失敗。為解決上述問題，在澆筑足尺拱形結(jié)構(gòu)時(shí)，在拱形結(jié)構(gòu)的上表面澆筑多組用于放置配重鐵塊的堆載基礎(chǔ)。堆載基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆素混凝土結(jié)構(gòu)，其下表面與拱形結(jié)構(gòu)的上表面接觸，上表面呈水平狀態(tài)。每個(gè)堆載基礎(chǔ)沿拱形結(jié)構(gòu)跨向?yàn)榕_(tái)階式設(shè)置。

圖4 堆載基礎(chǔ)細(xì)部

堆載基礎(chǔ)細(xì)部如圖4所示。為防止多組配重鐵塊之間發(fā)生干涉，同時(shí)為防止因相鄰堆載基礎(chǔ)之間發(fā)生相互作用導(dǎo)致加載量與設(shè)計(jì)值偏差過大，將相鄰堆載基礎(chǔ)之間的間隙設(shè)置為45～55 mm。為最大可能地消除堆載基礎(chǔ)的剛度對(duì)原拱形結(jié)構(gòu)的影響，在每個(gè)堆載基礎(chǔ)內(nèi)部沿其跨向和寬度方向均設(shè)置多個(gè)分隔縫，分隔縫寬度為15～25 mm。分隔縫內(nèi)填充有木板。堆載基礎(chǔ)是通過將混凝土澆筑于拱形結(jié)構(gòu)的上表面而形成的，堆載基礎(chǔ)相當(dāng)于對(duì)原設(shè)計(jì)的拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部加強(qiáng)，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)的拱形結(jié)構(gòu)在局部區(qū)域的剛度與設(shè)計(jì)值差異較大，從而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為消除上述不利影響，在澆筑堆載基礎(chǔ)前，首先對(duì)拱形結(jié)構(gòu)的上表面進(jìn)行鑿毛，其次在堆載基礎(chǔ)底部與拱形結(jié)構(gòu)上表面之間設(shè)置土工織物，最后再進(jìn)行堆載基礎(chǔ)的澆筑工作，如圖5所示。通過上述技術(shù)措施，不僅能保證堆載荷載能夠準(zhǔn)確傳遞至拱形結(jié)構(gòu)，同時(shí)還避免了堆載基礎(chǔ)對(duì)拱形結(jié)構(gòu)的不利影響，使現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保持相同的受力狀態(tài)。

圖5 堆載基礎(chǔ)與拱形結(jié)構(gòu)之間的連接構(gòu)造

3 試驗(yàn)加載方法

新型加載方法通過將若干數(shù)量的起重機(jī)配重塊按設(shè)計(jì)編號(hào)逐個(gè)堆放于堆載基礎(chǔ)上方，實(shí)現(xiàn)對(duì)足尺拱形結(jié)構(gòu)施加外荷載，如圖6所示。在圖6中，每個(gè)堆載平臺(tái)為一個(gè)堆載單元，每個(gè)堆載單元的堆載鐵塊數(shù)量根據(jù)試驗(yàn)要求而定。所有的堆載單元沿拱形結(jié)構(gòu)跨向均勻分布，且沿拱形結(jié)構(gòu)的拱頂中心線呈對(duì)稱設(shè)置。每個(gè)堆載單元包括堆載基礎(chǔ)和若干個(gè)配重鐵塊，堆載基礎(chǔ)設(shè)置在拱形結(jié)構(gòu)的上表面，配重鐵塊堆疊設(shè)置在堆載基礎(chǔ)的上方。為保持堆載平穩(wěn)，在進(jìn)行堆載時(shí)，堆載單元內(nèi)的多個(gè)配重鐵塊的重心與該堆載單元的豎直中心線保持重合。

圖6 處于堆載狀態(tài)的拱形結(jié)構(gòu)

在實(shí)施中，首先按照堆載單元的設(shè)計(jì)值在拱形結(jié)構(gòu)上標(biāo)出每個(gè)堆載單元的位置，如圖7所示。

其次，按照上述堆載單元的設(shè)計(jì)位置，在拱形結(jié)構(gòu)的上表面進(jìn)行鑿毛，鋪設(shè)土工織物，設(shè)置模板和分隔板，進(jìn)行堆載基礎(chǔ)的澆筑作業(yè)，如圖8所示。

堆載基礎(chǔ)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后，按照堆載次序，使用起重機(jī)將配重鐵塊逐個(gè)放置于對(duì)應(yīng)的堆載單元內(nèi)。通過方鋼調(diào)整多個(gè)配重鐵塊的水平度，保證多個(gè)配重鐵塊處于水平狀態(tài)，同時(shí)保證配重鐵塊的重心與堆載單元的中心線重合，如圖9所示。

圖7 在拱形結(jié)構(gòu)上標(biāo)出堆載單元的位置

圖9 逐個(gè)放置配重鐵塊在堆載基礎(chǔ)上

通過采用上述加載工藝，不僅加載高度較低，實(shí)施方便，安全可靠，而且無(wú)需使用側(cè)向荷載平衡裝置進(jìn)行輔助，省時(shí)省力。

4 新型加載工藝的應(yīng)用

某工程地下車站的頂層采用拱形結(jié)構(gòu)施工。為驗(yàn)證拱形結(jié)構(gòu)受力特性，進(jìn)行了拱形結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的跨度為21 m，寬度為3 m，拱形結(jié)構(gòu)的厚度為1 m。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 拱形結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

加載工藝采用按照設(shè)計(jì)編號(hào)逐個(gè)放置配重鐵塊的方式進(jìn)行實(shí)施，配重鐵塊放置于堆載基礎(chǔ)上，如圖11所示。最終完成后的堆載施工現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

5 結(jié)語(yǔ)

圖11 配重鐵塊逐個(gè)放置于 堆載基礎(chǔ)上方

圖12 完成后的堆載 施工現(xiàn)場(chǎng)

本文通過分析大型拱形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載施工中的問題，提出了適合大型拱形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的新型加載工藝。新型加載工藝由配重鐵塊和設(shè)置于拱形結(jié)構(gòu)上表面的堆載基礎(chǔ)組成。在實(shí)施時(shí)，通過起重機(jī)按照設(shè)計(jì)編號(hào)將配重鐵塊放置于堆載基礎(chǔ)上即完成加載作業(yè)。新型加載工藝具有加載高度小、無(wú)側(cè)向荷載、加載量可精確控制和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有加載方法在拱形結(jié)構(gòu)加載中的諸多不便。