王 鵬，董加柱

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司)

某上承式鋼筋混凝土拱橋靜載試驗(yàn)分析

王 鵬，董加柱

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)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(yàn)實(shí)際試驗(yàn)值與理論計(jì)算值，探討了兩者不同的原因，總結(jié)出拱橋剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。試驗(yàn)結(jié)果可為該橋的正常運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)、管理提供科學(xué)的依據(jù)，并可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

上承式;鋼筋混凝土;拱橋;靜載試驗(yàn)

拱橋是我國(guó)中小跨徑橋梁的主要橋型，面廣而量大，一直以來(lái)，隨著高速公路的建設(shè)，拱橋的計(jì)算和施工方法已經(jīng)比較成熟，然而，在使用過(guò)程中仍存在相當(dāng)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)橋梁總數(shù)中占60%左右的比重，僅國(guó)內(nèi)西部就占到81%。所以，現(xiàn)有拱橋的承載能力評(píng)定便成為極其重要的工作，而靜載試驗(yàn)法便是目前國(guó)內(nèi)外認(rèn)可度較高的評(píng)價(jià)拱橋承載能力的主要途徑之一。

1 工程概況

該橋長(zhǎng)為210 m，橋梁橫斷面為12.6 m。主橋?yàn)榈冉孛鎽益溇€上承式鋼筋混凝土無(wú)鉸拱橋，計(jì)算跨徑120 m，計(jì)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(jì)荷載為公路－Ⅰ級(jí)，人群荷載3.5 kPa，電力電纜3 kN/m;支路，設(shè)計(jì)車速20 km/h。

2 試驗(yàn)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(diǎn)，為了滿足拱橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)兼顧設(shè)計(jì)荷載的要求，在試驗(yàn)前要對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)進(jìn)行模擬，試驗(yàn)后對(duì)實(shí)際試驗(yàn)荷載效應(yīng)進(jìn)行分析。本次試驗(yàn)采用Midas/Civil對(duì)上述兩種情況進(jìn)行模擬分析。

2.2 試驗(yàn)荷載i

實(shí)際試驗(yàn)荷載由載重試驗(yàn)車輛及試驗(yàn)車隊(duì)模擬，并且符合荷載等效原則，要求各個(gè)試驗(yàn)車輛產(chǎn)生的荷載均約為400 kN。為了滿足試驗(yàn)車輛總重浮動(dòng)在5%以內(nèi)，軸重偏差浮動(dòng)在10%以內(nèi)的要求，現(xiàn)場(chǎng)所需加載的試驗(yàn)車輛應(yīng)在試驗(yàn)前逐一編號(hào)、稱重，軸距及軸重應(yīng)詳細(xì)記載。

2.3 試驗(yàn)要求及工況組成

靜載試驗(yàn)主要測(cè)試在試驗(yàn)荷載(設(shè)計(jì)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(duì)可能或已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算確定在設(shè)計(jì)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(yàn)方法》的要求，橋梁的靜力試驗(yàn)按荷載效率η來(lái)確定試驗(yàn)的最大荷載。靜力荷載效率η的計(jì)算公式為:

式中:μ為靜力荷載試驗(yàn)效率系數(shù);Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下檢驗(yàn)項(xiàng)目的計(jì)算效應(yīng)值;S為設(shè)計(jì)控制荷載作用下檢驗(yàn)項(xiàng)目的最不利效應(yīng)值;對(duì)于車輛荷載應(yīng)計(jì)入沖擊系數(shù)。

靜載試驗(yàn)依據(jù)公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程的要求進(jìn)行:大跨徑拱橋需要對(duì)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(diǎn)和跨中位置的應(yīng)力及變形進(jìn)行控制。依據(jù)汽車設(shè)計(jì)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(shí)施試驗(yàn)加載并進(jìn)行計(jì)算，令設(shè)計(jì)汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)與試驗(yàn)車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)之比滿足規(guī)范靜力試驗(yàn)荷載效應(yīng)系數(shù)的要求。

各控制截面位置見(jiàn)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(cè)量采用埋入式振弦應(yīng)變計(jì)，主拱圈斷面?zhèn)鞲衅鞑贾靡?jiàn)圖2。靜載試驗(yàn)各個(gè)工況見(jiàn)表1。各個(gè)工況加載效率系數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 控制截面位置圖

表1 靜荷載試驗(yàn)工況和試驗(yàn)?zāi)康?/p>

2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)拱頂測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)結(jié)果

在試驗(yàn)工況一、二、五的靜試驗(yàn)荷載作用下，對(duì)拱頂?shù)膿隙冗M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄。拱頂測(cè)點(diǎn)的撓度計(jì)算結(jié)果值和實(shí)測(cè)結(jié)果值的對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 各工況加載效率系數(shù)

表3 試驗(yàn)工況下拱頂測(cè)點(diǎn)撓度的實(shí)測(cè)結(jié)果值和計(jì)算結(jié)果值對(duì)比表(撓度正值表示向下)

對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，校驗(yàn)系數(shù)基本能夠滿足規(guī)范要求，各工況撓度計(jì)算結(jié)果值均大于實(shí)測(cè)結(jié)果值，由此證明該拱橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)剛度，能滿足設(shè)計(jì)荷載的要求，處于正常工作狀態(tài)。

(2)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

分別對(duì)主拱圈截面上、下表面的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值進(jìn)行平均得到平均值，與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4對(duì)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果平均值與模擬計(jì)算結(jié)果值進(jìn)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(dāng)一部分測(cè)試結(jié)果略大于計(jì)算結(jié)果，通過(guò)反復(fù)仿真模擬及綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)不確定因素，歸結(jié)為以下幾個(gè)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(duì)溫度應(yīng)力的考慮比較保守，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)的溫度有差異;(3)影響試驗(yàn)結(jié)果因素多且無(wú)法準(zhǔn)確把握，收縮、徐變對(duì)橋梁的受力影響只能采用橋梁有限元分析軟件Midas/Civil進(jìn)行仿真模擬.。

表4 主拱圈頂、底板應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)按照規(guī)范要求進(jìn)行，試驗(yàn)效率系數(shù)取值滿足規(guī)范要求，主拱圈的剛度與強(qiáng)度都符合設(shè)計(jì)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(yàn)過(guò)程中未觀察到明顯的沉降，并且沒(méi)有產(chǎn)生新的裂縫，正常使用狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求.此次試驗(yàn)的結(jié)果將為該橋的正常運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)、管理提供科學(xué)的依據(jù)，并可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

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［4］ 王濤.鋼管混凝土拱橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

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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(jì)理論研究。