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        變截面橢圓形獨(dú)塔斜拉橋塔-梁結(jié)合段模型試驗(yàn)研究

        2019-04-16 01:04:28王子文徐世文鄧露劉秉輝郭金龍
        中外公路 2019年4期
        關(guān)鍵詞:橋塔主塔剪力

        王子文, 徐世文, 鄧露, 劉秉輝, 郭金龍

        (1.長(zhǎng)吉城際鐵路有限責(zé)任公司, 吉林 長(zhǎng)春 130000; 2.中鐵九局集團(tuán)第二工程有限公司;3.湖南大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

        獨(dú)塔斜拉橋因其優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性,在橋梁選型中極具競(jìng)爭(zhēng)力。獨(dú)塔斜拉橋依據(jù)橋墩、主梁、橋塔和斜拉索的不同結(jié)合方式,分為4種不同的結(jié)構(gòu)體系:塔梁固結(jié)體系、剛構(gòu)體系、半漂浮體系和漂浮體系。塔墩相互分離、塔梁相互固結(jié)形成塔梁固結(jié)體系;橋墩、主梁、橋塔全部固結(jié)構(gòu)成剛構(gòu)體系;塔梁相互分離、塔墩相互固結(jié)、在塔墩處主梁梁底設(shè)置豎向支承形成半漂浮體系;塔梁相互分離、連續(xù)的主梁全漂浮底部無(wú)支撐、塔墩相互固結(jié)形成漂浮體系。塔梁固結(jié)區(qū)構(gòu)件布置交錯(cuò)密集,剛度突變大,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,許多學(xué)者對(duì)塔-梁結(jié)合段進(jìn)行了大量的研究。已有的研究發(fā)現(xiàn)塔-梁結(jié)合段整體應(yīng)力水平較低,具有足夠安全儲(chǔ)備,但是存在局部應(yīng)力集中,需要重視并采取構(gòu)造措施降低應(yīng)力集中。針對(duì)塔-梁結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜、有限元模型難以精確模擬的問(wèn)題,宋軍等采用子模型法計(jì)算斜拉橋塔-梁-墩結(jié)合段處的應(yīng)力分布情況,結(jié)果顯示比傳統(tǒng)方法更有效和精確;在施工應(yīng)用方面,寧平華指出應(yīng)根據(jù)具體構(gòu)造細(xì)節(jié)、施工方法和橋型等因素合理確定塔-梁結(jié)合段的臨時(shí)固結(jié)裝置;此外,鐘微等研究了塔梁之間和墩梁之間不同的橫向連接剛度以及不同主梁斷面形式對(duì)混凝土斜拉橋整體穩(wěn)定性的影響,為采取措施降低塔-梁結(jié)合段剛度突變不利影響提供了參考依據(jù)。然而,到目前為止,筆者尚未發(fā)現(xiàn)涉及變截面橢圓形橋塔斜拉橋塔-梁結(jié)合段的力學(xué)性能研究。

        該文研究的橋梁采用塔梁墩全固結(jié)的剛構(gòu)體系。已有研究表明:剛構(gòu)體系是各種連接體系中塔-梁結(jié)合處彎矩絕對(duì)值最大的體系。此外,該橋采用變截面橢圓形橋塔,塔-梁結(jié)合段的受力情況更為復(fù)雜。為了解該橋塔-梁結(jié)合段部位的受力性能,依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定需對(duì)其開(kāi)展局部縮尺模型試驗(yàn)研究。按照1∶8的比例建立該橋塔-梁結(jié)合段的縮尺模型,采用大型地震荷載模擬加載裝置對(duì)模型進(jìn)行豎向偏心加載試驗(yàn),并結(jié)合Ansys有限元分析,研究塔-梁結(jié)合段處鋼板、塔內(nèi)混凝土和剪力鍵的應(yīng)力分布和受力情況。

        1 試驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)制作及測(cè)試方案

        1.1 模型概況

        該文以四平市東豐路上跨鐵路立交獨(dú)塔斜拉橋的塔-梁結(jié)合段為研究對(duì)象。該混合梁橋跨徑布置為(169+90) m,主梁采用3.4 m高的多箱室梁,橋塔采用變截面橢圓形鋼混組合結(jié)構(gòu),塔高75 m,橋梁示意圖如圖1所示。塔-梁結(jié)合段是主塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位,塔壁伸入梁體長(zhǎng)度為3 m,設(shè)置了PBL剪力鍵和承壓板底座作為傳遞荷載的主要構(gòu)件,剪力釘作為輔助傳力元件。同時(shí),根據(jù)受力需要,結(jié)合段布置了一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼棒。為了反映塔-梁結(jié)合段在偏心荷載作用下的真實(shí)力學(xué)特性,此項(xiàng)試驗(yàn)選取31 m主塔和沿主塔長(zhǎng)、短軸方向各18 m和12 m的主梁,按照1∶8的縮尺比例制作了塔-梁結(jié)合段模型。模型部分關(guān)鍵部位的詳圖如圖2、3所示。

        1.2 模型制作

        塔-梁結(jié)合段縮尺模型鋼塔部分由剪力釘、加勁肋和外壁板等鋼構(gòu)件焊接而成,主梁采用C50普通混凝土,主塔內(nèi)采用C50微膨脹混凝土填充。橋塔分4段進(jìn)行焊接拼裝,主梁和橋塔第一節(jié)段通過(guò)承壓板和鋼筋焊接在一起,用普通混凝土澆筑。模型底部塔-梁結(jié)合段混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求90% 后再焊接和澆筑其他3節(jié)主塔橋塔,上部橋塔內(nèi)澆筑C50微膨脹混凝土。制作加工后的整體模型如圖4所示。

        圖1 橋型布置平面圖(左幅橋)(單位:m)

        圖2 塔-梁結(jié)合段橋塔橫截面詳圖(單位:mm)

        注:① 主梁鋼筋;④ 承壓板;⑤ 剪力釘;②、③、⑥、⑨加勁環(huán);⑦主梁混凝土;⑧縱向加勁肋;⑩鋼筋;PBL剪力鍵貫穿孔。其中,加勁環(huán)與橋塔鋼板焊接,加勁環(huán)⑥與主梁鋼筋焊接。

        圖4 塔-梁結(jié)合段縮尺模型

        1.3 測(cè)點(diǎn)布置

        為了確定變截面橢圓形主塔斜拉橋塔-梁結(jié)合段在偏心荷載作用下各構(gòu)件的受力特點(diǎn),試驗(yàn)在塔-梁結(jié)合段縮尺模型的長(zhǎng)軸和短軸兩個(gè)方向各布置了如圖5所示的6個(gè)豎向電阻應(yīng)變片(了解荷載作用下長(zhǎng)短軸鋼板豎向應(yīng)力分布規(guī)律),在長(zhǎng)軸方向上布置了如圖6所示的兩個(gè)振弦計(jì),用來(lái)測(cè)量主梁內(nèi)混凝土在豎向荷載作用下的應(yīng)變。

        圖5 鋼橋塔外壁應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

        圖6 主梁混凝土內(nèi)振弦計(jì)布置(單位:mm)

        1.4 試驗(yàn)加載

        該文首先采用Midas/Civil軟件對(duì)全橋進(jìn)行了有限元分析,如圖7所示。在承載能力極限狀態(tài)下得到了塔-梁結(jié)合段的受力情況見(jiàn)表1。

        圖7 全橋的Midas Civil有限元模型

        表1 所研究橋塔節(jié)段頂面承受的最不利荷載

        圖8 大型地震荷載模擬加載裝置

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 塔壁的軸向應(yīng)力

        圖9、10為加載至1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載過(guò)程中塔-梁結(jié)合段塔壁鋼板上不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力與外加荷載的關(guān)系。需要說(shuō)明的是,試驗(yàn)中有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)在結(jié)果整理和分析時(shí)均已剔除。

        從圖9、10可以看出:① 在加載至1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載的過(guò)程中,主梁上部橋塔塔壁測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力隨荷載的增大整體基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng),壁板仍處于彈性階段,應(yīng)力最大值小于鋼板屈服強(qiáng)度,說(shuō)明結(jié)構(gòu)仍有足夠的安全儲(chǔ)備;② 塔-梁結(jié)合段長(zhǎng)軸方向主梁豎向中間處的壓應(yīng)力增長(zhǎng)最快,在1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載作用下所承受最大的壓應(yīng)力為227.56 MPa(G4),這可能是由于塔梁固結(jié)處剛度突變以及此處構(gòu)件密集,存在應(yīng)力集中所致;③ 主梁中間高度處(G4高度)塔壁測(cè)點(diǎn)應(yīng)力較其上下測(cè)點(diǎn)增長(zhǎng)速度快,終值亦較大(長(zhǎng)短軸各自最大應(yīng)力均出現(xiàn)在該處,如G4和G10),這是由于該處測(cè)點(diǎn)最靠近底部彎矩受力中心,所受負(fù)彎矩最大,以及此處構(gòu)件布置十分密集和處于塔-梁鋼混結(jié)合段傳力關(guān)鍵部位所致。該處是設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的位置,有待進(jìn)一步的研究;④ 塔-梁結(jié)合段短軸方向塔壁最大壓應(yīng)力約為120.8 MPa(G10),小于長(zhǎng)軸方向的應(yīng)力,這是由于短軸尖端曲率小于長(zhǎng)軸,曲率較大的長(zhǎng)軸尖端應(yīng)力更為集中;⑤ 同一高度塔壁鋼板對(duì)稱(chēng)位置的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力并不相同,這是由于偏心加載和橢圓形橫截面尺寸效應(yīng)所致,部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力相差過(guò)大還有可能是受到周?chē)鷺?gòu)件應(yīng)力集中的影響(如G10)。

        圖10 短軸塔壁荷載-應(yīng)力曲線(xiàn)

        2.2 塔-梁結(jié)合段內(nèi)混凝土的軸向應(yīng)力

        圖11為塔-梁結(jié)合段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和荷載的關(guān)系。從圖中可以看出,隨著荷載的增加,塔-梁結(jié)合段內(nèi)混凝土豎向應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)加載至1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載時(shí),測(cè)試值仍基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng),表明塔內(nèi)混凝土仍處于彈性工作狀態(tài)。偏心加載導(dǎo)致Z2測(cè)點(diǎn)承受的壓應(yīng)力比Z1大,即使如此,在1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載作用下Z2測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力也僅為10.76 MPa。已有研究表明,受力截面距離加載位置越遠(yuǎn),圣維南效應(yīng)影響越小,截面承受的應(yīng)力越接近截面實(shí)際的受力情況。因此,Z1和Z2測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力能近似反映橋塔真實(shí)的應(yīng)力情況,即在1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載作用下塔-梁結(jié)合段混凝土實(shí)際壓應(yīng)力最大值約為10.76 MPa,低于C50混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值(23.1 MPa)。

        圖11 塔-梁結(jié)合段內(nèi)混凝土荷載-應(yīng)力曲線(xiàn)

        2.3 塔-梁結(jié)合段PBL測(cè)點(diǎn)布置及應(yīng)力情況

        塔-梁鋼混結(jié)合段承受軸力、彎矩和剪力的共同作用。PBL連接件在橋塔外包鋼板和內(nèi)置混凝土之間的內(nèi)力傳遞中起重要的作用。塔-梁結(jié)合段模型上共布置5排PBL剪力連接件,在第1、3、5排PBL剪力連接件的長(zhǎng)軸和短軸方向布置測(cè)點(diǎn),如圖12所示,其中平面圖位置為圖3中的塔梁交接面。

        圖12 PBL剪力連接件測(cè)點(diǎn)布置圖

        圖13為同一排PBL剪力鍵長(zhǎng)軸和短軸方向貫穿鋼筋的彎曲應(yīng)力圖。從圖中可以看出,P1和P2、P7和P8測(cè)點(diǎn)鋼筋的彎曲應(yīng)力值相近,符合主塔軸對(duì)稱(chēng)特性。短軸方向測(cè)點(diǎn)(P7和P8)比長(zhǎng)軸方向測(cè)點(diǎn)(P1和P2)的彎曲應(yīng)力更大,即短軸方向PBL剪力鍵承受更大的荷載。

        圖13 同一排PBL鍵貫穿鋼筋彎曲應(yīng)力圖

        圖14為第1、3、5排P7、P9、P11共3個(gè)測(cè)點(diǎn)貫穿鋼筋的彎曲應(yīng)力圖。從圖14可以看出:PBL剪力連接件在承受軸力和彎矩的作用下,上層PBL剪力鍵承受的彎曲應(yīng)力比下層的大。在1.0倍和1.7倍設(shè)計(jì)荷載作用下,測(cè)得的貫穿鋼筋最大彎曲應(yīng)力分別為46.44、63.00 MPa(P7),仍然遠(yuǎn)小于PBL剪力鍵的極限承載力設(shè)計(jì)值。

        圖14 主塔高度方向PBL鍵貫穿鋼筋彎曲應(yīng)力圖

        3 有限元分析

        采用商業(yè)有限元軟件Ansys建立了塔-梁結(jié)合段的有限元模型,如圖15所示。該有限元模型混凝土采用Solid45單元模擬,鋼板采用Shell63單元模擬,橫向拉桿及PBL剪力鍵橫向箍筋采用Beam4單元模擬。Q345鋼材和C50混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均采用理想彈性模型。為了模擬橋梁墩臺(tái)對(duì)塔-梁結(jié)合段的約束作用,約束了塔-梁結(jié)合段與墩臺(tái)連接部位節(jié)點(diǎn)所有的自由度。Ansys有限元分析中加載的荷載大小和加載方式與試驗(yàn)對(duì)應(yīng),如表1所示。

        圖15 塔-梁結(jié)合段的Ansys有限元模型

        圖16~18為Ansys分析和模型試驗(yàn)得到的1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載作用下各構(gòu)件的荷載-應(yīng)力關(guān)系對(duì)比圖。

        圖16 塔內(nèi)混凝土Z1測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

        圖17 鋼板G8測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

        圖18 PBL剪力鍵P7測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

        從圖16~18可以看出:各構(gòu)件試驗(yàn)值與計(jì)算值的誤差(相對(duì)于計(jì)算值)均在容許誤差20%以?xún)?nèi),應(yīng)力基本吻合,因此,試驗(yàn)?zāi)P头桨负侠?,測(cè)試結(jié)果可靠,能真實(shí)反映斜拉橋塔-梁結(jié)合段的實(shí)際受力情況。

        4 塔-梁結(jié)合段傳力機(jī)理分析

        基于上述試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果可知,塔-梁結(jié)合段處主塔和主梁之間的相互作用力通過(guò)承壓板、PBL剪力鍵、剪力釘?shù)葮?gòu)件進(jìn)行傳遞。承壓板焊接于主塔內(nèi)壁,連接主梁和主塔的預(yù)應(yīng)力筋錨固于承壓板上,加強(qiáng)了主塔和主梁之間的連接。此外,承壓板、PBL剪力鍵和剪力釘通過(guò)傳遞剪力的方式加強(qiáng)了主塔外包鋼板和塔內(nèi)混凝土之間的共同受力,達(dá)到了加強(qiáng)整體性的效果。

        5 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)某變截面橢圓形獨(dú)塔斜拉橋的塔-梁結(jié)合段的縮尺模型試驗(yàn),研究了結(jié)合段處橋塔鋼板、塔內(nèi)混凝土和PBL剪力鍵貫穿鋼筋的應(yīng)力分布以及受力情況。通過(guò)有限元分析模擬了試驗(yàn)加載過(guò)程中塔-梁結(jié)合段各構(gòu)件的響應(yīng),并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,吻合較好。得出如下主要結(jié)論:

        (1) 在加載至1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載的試驗(yàn)中,大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力隨荷載增大呈線(xiàn)性增加,且都處于彈性工作狀態(tài),整體應(yīng)力水平較低,表明實(shí)際塔-梁結(jié)合段處結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下具有足夠安全儲(chǔ)備。

        (2) 在1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載作用下,塔-梁結(jié)合段混凝土最大壓應(yīng)力約為11 MPa,小于C50混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1 MPa。需要注意的是,在1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載作用下,橋塔長(zhǎng)軸方向主梁中部位置的鋼板承受的最大壓應(yīng)力達(dá)227.56 MPa,這可能是塔梁結(jié)合段處剛度突變所致。在橢圓形橋塔應(yīng)用中需重視塔-梁結(jié)合段處橋塔長(zhǎng)軸方向剛度過(guò)渡問(wèn)題,可通過(guò)適當(dāng)增加塔梁結(jié)合段塔壁的厚度、適當(dāng)增加嵌入主梁和主塔縱向鋼筋的數(shù)量、適當(dāng)增加焊接于塔梁結(jié)合段塔壁內(nèi)側(cè)剪力釘?shù)臄?shù)量改善剛度過(guò)渡問(wèn)題。

        (3) 在軸力和彎矩的作用下,結(jié)合段上層PBL連接鍵貫穿鋼筋承受的應(yīng)力比下層的大。在1.7倍等效設(shè)計(jì)荷載作用下,測(cè)得位于最上層PBL剪力鍵上貫穿鋼筋的應(yīng)力最大,其值為63.00 MPa,低于PBL剪力健的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,說(shuō)明PBL剪力鍵具有足夠的安全儲(chǔ)備。

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