某大跨度鋼管混凝土拱梁組合橋荷載試驗(yàn)研究

羅慧苓

(福州理工學(xué)院 福建福州 350506)

0 引言

鋼管混凝土拱梁組合橋結(jié)構(gòu)體系簡單，剛度大，受力合理，在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，荷載試驗(yàn)是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，檢驗(yàn)施工質(zhì)量，了解橋梁實(shí)際工作狀況的最有效方法。同時(shí)也為竣工驗(yàn)收，后期管養(yǎng)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)[3]。門廣鑫[4]對(duì)3跨三孔中承式鋼管混凝土拱橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，判定了結(jié)構(gòu)整體性能，并為日常維護(hù)與后期加固提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；鄭曉斌[5]對(duì)鋼管混凝土系桿拱橋進(jìn)行了成橋荷載試驗(yàn)研究，分析了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，并鑒定了橋梁實(shí)際承載力。

拱梁組合橋拱肋與主梁共同受力，吊桿是拱梁組合橋中重要組成構(gòu)件，起到將橋面荷載傳遞給拱肋的作用。近年來，由于吊桿銹蝕或疲勞，發(fā)生了多起吊桿斷裂事故，引發(fā)了吊桿內(nèi)力重分布與連續(xù)性破壞，嚴(yán)重時(shí)橋面坍塌并掉入橋下，造成一定的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，如宜賓小南門橋、武夷公館橋等吊桿斷裂事故。

基于此，為了評(píng)估大跨度鋼管混凝土組合拱橋?qū)嶋H工作性能及結(jié)構(gòu)安全性，本試驗(yàn)進(jìn)行了大橋靜動(dòng)載試驗(yàn)，測試與分析了試驗(yàn)荷載作用下控制截面的應(yīng)變、撓度，以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力基本特性；同時(shí)，基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了討論，重點(diǎn)研究了單根吊桿斷裂時(shí)吊桿安全度的變化。

1 工程背景

如圖1所示，某橋主跨為107m鋼管混凝土啞鈴形拱橋，采用拱梁組合簡支體系，結(jié)構(gòu)內(nèi)部超靜定、外部靜定。拱腳處不平衡水平推力由預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁承受。

圖1 某鋼管混凝土拱橋總體布置圖(單位：cm)

主拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱軸線采用二次拋物線，計(jì)算跨徑107m，矢跨比為1/5。拱肋橫斷面為豎啞鈴型，截面高3.4m。上、下鋼管為φ140cm的空鋼管，兩管之間用鋼腹板和加勁鋼板連接形成整體，管內(nèi)及腹腔內(nèi)灌注C50補(bǔ)償收縮混凝土。

主梁為單箱五室變截面預(yù)應(yīng)力箱梁，跨中梁高3.0m，中腹板、邊腹板分為0.4m與1.5m；根部梁高3.5m，中腹板、邊腹板分為1.5m與3.0m。

吊桿間距5m，采用139根Φ7mm高強(qiáng)度環(huán)氧涂層鋼絲，分兩次張拉。錨具采用OVM.LZM7-139型冷鑄鐓錨頭。

施工方法——先梁后拱，即先搭支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁，而后搭設(shè)拱肋，最后安裝吊桿。

2 有限元分析模型

采用橋梁專業(yè)軟件MIDAS/Civil，建立有限元計(jì)算模型，如圖2所示。吊桿采用桁架單元外，其余構(gòu)件采用三維梁單元模擬。拱肋采用雙單元，分別模擬空鋼管與管內(nèi)混凝土。橋面鋪裝僅考慮重量，不計(jì)剛度貢獻(xiàn)。支座采用彈性連接模擬。有限元分析模型共計(jì)461個(gè)節(jié)點(diǎn)，646個(gè)單元。

江西服裝學(xué)院是經(jīng)國家教育部批準(zhǔn)設(shè)立的全日制普通本科高校，學(xué)院現(xiàn)有各類在校生13000余人。學(xué)生數(shù)量不斷增加，但學(xué)生公寓管理仍舊采用原始紙質(zhì)和人工整理方式，導(dǎo)致學(xué)生公寓管理質(zhì)量得不到更好地改善[2]。

圖2 有限元分析模型

3 靜載試驗(yàn)

3.1 測試內(nèi)容

靜載試驗(yàn)具體測試內(nèi)容如下：

(1)拱肋：L/4跨，跨中以及3L/4跨的結(jié)構(gòu)撓度(圖3中1-3測點(diǎn))；L/4跨，跨中及拱腳截面應(yīng)變(圖3中A-C斷面)。

(2)主梁：跨中、L/4及3L/4處結(jié)構(gòu)撓度(圖3中4-6測點(diǎn))；跨中應(yīng)變(圖3中D斷面)；

圖3 測試點(diǎn)與斷面布置

(3)吊桿：恒載作用下吊桿索力。

3.2 荷載工況

按結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響線等效加載，加載試驗(yàn)共計(jì)8個(gè)荷載工況，如表1所示，共使用了6輛約37t的三軸載重車輛。表中可見，各荷載工況下試驗(yàn)效率系數(shù)均滿足公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程(JTG/T J21-2011)[6]規(guī)定試驗(yàn)效率系數(shù)0.95～1.05之間的要求。

表1 靜力荷載試驗(yàn)工況

3.3 撓度測試

撓度測試使用儀器，包括千分表、精密水準(zhǔn)儀及銦瓦合金尺等。加載前后各關(guān)鍵測點(diǎn)高程變化即為撓度值。篇幅限制，表2與圖4僅列出最不利荷載工況3的試驗(yàn)結(jié)果。從列出的結(jié)果可見，各測點(diǎn)實(shí)測值與理論值變化規(guī)律一致，但小于理論值。橋面與拱肋測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)分別在0.57～0.81與0.52～0.70之間，最大殘余變形滿足規(guī)程[6]小于20%的要求。撓度測試結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)尚處在彈性工作階段，整體剛度能達(dá)到公路Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)荷載要求。

(a)上游側(cè)

表2 工況3下結(jié)構(gòu)撓度實(shí)測值

3.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)變

主梁5箱室底緣各布設(shè)1個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，拱肋上下緣各布設(shè)1個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。工況3跨中截面應(yīng)變量測值如表3所示。各測點(diǎn)應(yīng)變值均較小，結(jié)構(gòu)整體受力均勻，同時(shí)試驗(yàn)值均小于設(shè)計(jì)值。各荷載工況下，拱肋、主梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別在0.64～0.73與0.71～0.77之間，最大殘余應(yīng)變滿足規(guī)程[7]要求?？梢?，該橋梁結(jié)構(gòu)可承受公路Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)荷載。

表3 工況3下結(jié)構(gòu)應(yīng)變實(shí)測值

3.5 吊桿索力

(a)上游側(cè)

4 動(dòng)載試驗(yàn)研究

4.1 自振特性測試

加速度傳感器，采集在環(huán)境荷載作用下的振動(dòng)加速度信號(hào)。經(jīng)過模態(tài)分析，得到頻譜圖、第一階振型示于圖6。實(shí)測面內(nèi)一階自振頻率1.86Hz大于理論計(jì)算值1.75Hz，實(shí)測振型與理論計(jì)算一致。

(a)面內(nèi)實(shí)測頻譜圖

4.2 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)

強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)在橋跨跨中截面布置測點(diǎn)，由電應(yīng)變片與DH5920動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)量測動(dòng)應(yīng)變，將動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線進(jìn)行時(shí)域分析后，得出不同車速對(duì)橋梁的沖擊系數(shù)，如表4所示。由表4可知，時(shí)速30km/h時(shí)，車輛對(duì)拱肋沖擊最大，換算沖擊系數(shù)最大值0.12，小于規(guī)程[7]規(guī)定的設(shè)計(jì)計(jì)算取值0.18。

表4 實(shí)測沖擊系數(shù)

4.3 加速度響應(yīng)

各工況不同車速下，跑車試驗(yàn)加速度幅值列于表5。由表5可見，30km/h跑車時(shí)加速度響應(yīng)最大，為0.033g，未超過引起人體不適的限值0.065g。

表5 橋面各工況下跑車試驗(yàn)的加速度幅值

5 結(jié)構(gòu)安全度分析

基于荷載試驗(yàn)結(jié)果，將各構(gòu)件測試最小安全度列于表6。表6中可見，吊桿最小安全度數(shù)值最小，結(jié)構(gòu)如發(fā)生破壞可能從吊桿開始。

表6 各構(gòu)件最小安全度

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生單根吊桿斷裂，分別取拱腳1#短吊桿斷裂，跨中9#長吊桿斷裂，L/4處5#吊桿斷裂3種情況，研究與分析吊桿安全度變化，結(jié)果詳見圖7、表7。由表、圖可見，跨中9#吊桿斷裂結(jié)構(gòu)受力最為不利，其中主梁撓度增加2.8mm，而且，該工況引發(fā)相鄰8#與10#吊桿索力增加幅值最大，吊桿最小安全度下降至1.03，但結(jié)構(gòu)仍滿足安全度大于1.0要求。

圖7 單根吊桿斷裂主梁撓度變化(單位：m)

表7 單根吊桿破斷后各吊桿安全度變化表

圖8示出單根吊桿斷裂情況下，拱肋最大組合應(yīng)力云圖。由圖8可見，即使發(fā)生單根吊桿斷裂，拱肋應(yīng)力增加幅值小，組合應(yīng)力值均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

(a)1#斷裂鋼管應(yīng)力

6 結(jié)論

(1)該組合橋各荷載工況下實(shí)測結(jié)構(gòu)應(yīng)力與撓度值均小于理論值，說明結(jié)構(gòu)尚處彈性工作階段，承載力滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

(2)動(dòng)力響應(yīng)正常，實(shí)測面內(nèi)一階自振頻率大于理論計(jì)算值；當(dāng)車速30km/h時(shí)，車輛對(duì)拱肋沖擊系數(shù)最大，數(shù)值為0.12。

(3)鋼管混凝土組合拱結(jié)構(gòu)各組成構(gòu)件中，以吊桿結(jié)構(gòu)安全度最?。划?dāng)單根吊桿發(fā)生意外斷裂時(shí)，以跨中9#吊桿斷裂時(shí)結(jié)構(gòu)受力最為不利，但吊桿斷裂后的結(jié)構(gòu)仍然滿足安全要求。