董浩
(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京210000)
等代拱法考慮拱上建筑受力的多跨空腹式拱橋荷載試驗(yàn)應(yīng)用
董浩
(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京210000)
對(duì)于空腹式拱橋設(shè)計(jì)階段不考慮拱上建筑參與受力,這與橋梁實(shí)際受力狀況不符,拱上建筑在一定程度上要參與拱圈受力。為了更好地空腹式拱橋的真實(shí)受力情況進(jìn)行反應(yīng),在計(jì)算模型的時(shí)候考慮拱上建筑的影響是很十分必要的。對(duì)一座三跨空腹式拱橋的荷載試驗(yàn),采用等代拱法考慮拱上建筑的影響建模分析,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)分析對(duì)比,校核計(jì)算合理性,為同類型拱橋的荷載試驗(yàn)提供參考。
拱上建筑;空腹式拱橋;荷載試驗(yàn);等代拱法
空腹式拱橋作為橋梁結(jié)構(gòu)的一種形式,在現(xiàn)代交通中作用十分明顯。對(duì)于這種橋型在設(shè)計(jì)時(shí)采用不考慮拱上建筑參與受力的方法進(jìn)行計(jì)算,這與橋梁實(shí)際受力不符。實(shí)際拱上建筑包含側(cè)墻、橫墻、護(hù)拱、腹拱、填料和橋面系,他們與主拱圈共同承擔(dān)著自重及外部荷載作用,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性是有利的[1]。因此,為了更加準(zhǔn)確的反應(yīng)空腹式拱橋的真實(shí)受力情況,在計(jì)算模型考慮拱上建筑的影響是很必要的。目前,對(duì)于拱上建筑聯(lián)合計(jì)算還沒有精確的方法,本文針對(duì)一座三跨空腹式拱橋的荷載試驗(yàn),采用等代拱法考慮拱上建筑的影響對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)分析對(duì)比,校核計(jì)算合理性,為同類型拱橋的荷載試驗(yàn)提供參考。
等代拱法[2]就是考慮拱上結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用,利用等剛度原則,將參與主拱圈共同受力的拱上建筑換算成新的拱圈截面,進(jìn)行受力分析。等代拱法適用于拱上結(jié)構(gòu)與拱圈材料性能相近,可以把整體性較好的拱圈與拱上結(jié)構(gòu)組合的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
等代拱法使用時(shí)作下列假設(shè):(1)拱圈與拱上結(jié)構(gòu)整體性較好,共同受力,主拱圈及拱圈附近的拱上結(jié)構(gòu)為主要的受力結(jié)構(gòu);(2)假定拱圈橫向剛度趨于無(wú)窮大,即忽略了由于荷載橫向分布所產(chǎn)生的應(yīng)力橫向分布的不均勻性;(3)等代拱的截面抗彎剛度等于實(shí)際拱相應(yīng)截面處拱圈及其附近拱上結(jié)構(gòu)的慣性矩之和。
2.1工程概況
某大橋全長(zhǎng)105.16 m,拱橋上部采用25 m+35 m+ 25 m空腹式混凝土連續(xù)拱橋,下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體墩、U型臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁的三孔主拱圈采用相同的矢跨比,凈矢跨比f(wàn)0/l0=1/8,主拱圈拱軸線均采用等截面懸鏈線,拱軸系數(shù)m=2.814。邊拱凈跨徑Ln=25.0 m,凈矢高fn=3.125 m,計(jì)算跨徑L=25.418 7 m,計(jì)算矢高f=3.184 2 m;中拱凈跨徑Ln=35.0 m,凈矢高fn=4.375m,計(jì)算跨徑L=35.4187m,計(jì)算矢高f=4.434 2 m。橋梁腹拱圈凈矢跨比f(wàn)/l=1/3,靠近橋墩、臺(tái)處的腹拱圈為三鉸拱,即設(shè)一道伸縮縫,兩道變形縫,其余腹拱圈為二鉸拱。主拱圈、拱上橫墻、腹拱圈、護(hù)拱、側(cè)墻和橋面系均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),且材料相同。拱上填料為礫石土。
2.2結(jié)構(gòu)分析與建模方法[3]
本文采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)合橋梁自身特點(diǎn),主拱、腹拱、橫墻及橋面系采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,側(cè)墻及護(hù)拱按效剛度方法計(jì)入主拱或腹拱剛度,拱上填料按等效作用力進(jìn)行模擬,結(jié)構(gòu)相接觸的位置采用共同單元節(jié)點(diǎn),滿足變形協(xié)調(diào)條件。結(jié)構(gòu)離散為1 093個(gè)單元,806個(gè)節(jié)點(diǎn),計(jì)算幾何模型如圖1所示。
圖1 有限元模型圖
3.1試驗(yàn)概況
靜載試驗(yàn)的主要試驗(yàn)工況為:(1)主跨跨中截面最大正彎矩和撓度;(2)拱腳截面最大負(fù)彎矩;(3)1/4截面最大正、負(fù)彎矩;(4)1/4截面最大正負(fù)撓度絕對(duì)值之和。
選取如圖2所示的1-1~5-5五個(gè)截面作為主要的測(cè)試截面,其中1-1、2-2、5-5截面為應(yīng)力和撓度的測(cè)試截面,3-3、4-4截面為應(yīng)力的測(cè)試截面。
圖2 各測(cè)試截面總布置圖 (單位:cm)
靜載試驗(yàn)采用三輛350 kN車輛進(jìn)行加載,加載效率控制在0.95~1.05,荷載試驗(yàn)分為四個(gè)工況進(jìn)行,各加載工況及測(cè)試的內(nèi)容如表1所示。
表1 各加載工況及測(cè)試的內(nèi)容
3.2靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析
通過(guò)有限元模型計(jì)算出加載工況中各測(cè)試截面的應(yīng)力和撓度的理值,通過(guò)實(shí)橋靜載試驗(yàn)測(cè)出應(yīng)力和撓度值。將理論值和實(shí)測(cè)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)比結(jié)果如表2和表3所示。
由表2和表3可以看出,各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果均小于理論計(jì)算結(jié)果,撓度的校驗(yàn)系數(shù)為0.51~0.85,應(yīng)力的校驗(yàn)系數(shù)為0.49~0.83,均在混凝土結(jié)構(gòu)的正常校驗(yàn)系數(shù)范圍內(nèi),表明該模型對(duì)拱上建筑的模擬是有效的,能清楚地反映出橋梁的實(shí)際空間受力分布情況,在橋梁靜載試驗(yàn)中采用等代拱法計(jì)算模型進(jìn)行分析,有助于更好地評(píng)定橋梁的實(shí)際承載能力。主拱測(cè)試截面相對(duì)殘余撓度均小于20%,表明該橋有一定的安全儲(chǔ)備,并處于彈性工作狀態(tài)。
表2 各工況下結(jié)構(gòu)撓度實(shí)測(cè)值與理論值比較
表3 各加載工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值比較
3.3動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果及分析
動(dòng)載試驗(yàn)主要是通過(guò)脈動(dòng)測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性。在橋面跨中截面和1/4截面安裝加速度傳感器,利用動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析,結(jié)果如表4所示。
表4 理論頻率與實(shí)測(cè)頻率比較
從表4可知,橋梁的自振頻率高于理論計(jì)算值,說(shuō)明實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)剛度大于理論計(jì)算值。通過(guò)前二階頻率的比較,說(shuō)明對(duì)該橋利用等代拱法建模進(jìn)行橋梁空間動(dòng)力分析,精確度較高,合理可行。
當(dāng)拱圈與拱上建筑結(jié)構(gòu)整體性較好,共同受力時(shí),采用等代拱法的有限元模型能清楚地反映拱梁拱上建筑受力情況,且有較高的精度。通過(guò)具體的工程實(shí)例,介紹等代拱法在橋梁荷載試驗(yàn)中的應(yīng)用。結(jié)果表明,試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符,等代拱法有助于橋梁荷載試驗(yàn)的完成,是橋梁荷載試驗(yàn)中計(jì)算分析的有效手段。
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U441+.2
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1009-7716(2016)01-0157-02
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.045
2015-10-20
董浩(1983-),男,江蘇徐州人,碩士,工程師,主要從事橋梁結(jié)構(gòu)安全與檢測(cè)工作。