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        公路波紋鋼板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變及外壁土壓力測試分析

        2021-11-27 02:33:40潘小虎
        山東交通科技 2021年5期

        潘小虎,何 強 ,胡 濱

        (1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710075;2.西安工業(yè)大學(xué),陜西 西安 710021;3.西安中交土木科技有限公司,陜西 西安 710075)

        引言

        波紋鋼板橋涵相比混凝土橋梁,具有節(jié)約建筑用料、造價低、節(jié)省工期、便于保通的優(yōu)勢[1-3]。通常用于替代臨時或永久性道路橋梁,使用鍍鋅鋼板可防止結(jié)構(gòu)中金屬結(jié)構(gòu)的銹蝕和腐蝕,降低維修時費用,應(yīng)用前景較為廣闊[4-6]。我國一些科研機構(gòu)和高校對波紋鋼結(jié)構(gòu)涵洞研究的較多,但對于波紋鋼拱橋研究較少,尤其是對波紋鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征報道偏少[7-9]。

        1 波紋鋼板拱橋現(xiàn)場試驗方案

        1.1 基本概況

        依托工程為跨徑10 m的鋼波紋板拱橋,國內(nèi)對此方面的受力性能研究較少,屬于新型結(jié)構(gòu)。波紋鋼板拱橋為波形鋼板拼裝而成的半圓拱結(jié)構(gòu),采用Q355鋼材,相比混凝土具有施工簡易快捷,不受天氣和氣溫影響的優(yōu)勢。通過野外現(xiàn)場試驗,測試在施工過程中拱橋內(nèi)壁應(yīng)變和外壁土壓力的數(shù)值,將其應(yīng)變值和土壓力值進行理論分析,最終得出相應(yīng)規(guī)律與結(jié)論。

        1.2 波紋鋼板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變測試方案

        不同填土高度下,測試波紋鋼板拱橋不同位置的切向應(yīng)變,應(yīng)變片分別布置在拱橋內(nèi)壁的波峰、波谷和波側(cè)位置,位置見圖1。

        圖1 拱橋內(nèi)壁應(yīng)變片位置布設(shè)

        1.3 波紋鋼板拱橋土壓力測試方案

        施工填土過程中對拱橋外壁土壓力進行測試,測試不同拱頂填土高度時,拱橋拱周各位置的土壓力變化情況。土壓力盒和應(yīng)變片的布設(shè)點相同,具體測點位置見圖2。

        圖2 土壓力測試點位

        1.4 波紋鋼板拱橋應(yīng)變與土壓力測試工況

        根據(jù)現(xiàn)場試驗,分別對拱周填土測試其應(yīng)變,對拱頂填土測試其應(yīng)變和土壓力,見表1、表2。拱周填土共6 m,拱頂填土共1.5 m,每填土一層,待機械壓實結(jié)束后并遠離鋼波紋板拱橋,然后再采用靜態(tài)應(yīng)變測試儀與振弦頻率測試儀對應(yīng)變和土壓力進行同步測試,并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

        表1 拱周測試工況

        表2 拱頂測試工況

        2 波紋鋼板拱橋現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

        2.1 拱周填土切向應(yīng)變測試結(jié)果分析

        2.1.1 波峰隨拱周填土增加的切向應(yīng)變

        波峰切向應(yīng)變規(guī)律見圖3。

        圖3 波峰切向應(yīng)變規(guī)律

        從圖3可以看出:(1)隨著拱周填土高度的增加,整體拉、壓應(yīng)變趨勢逐漸增加,且拉、壓應(yīng)變曲線規(guī)律具有一定的對稱性。(2)拱周填土0.2 m時,應(yīng)變值變化較小,填土增加至1.9 m處,拉應(yīng)變出現(xiàn)應(yīng)力集中,而壓應(yīng)變出現(xiàn)小幅減小。當(dāng)拱周填土至3.1 m 時,拉、壓應(yīng)變值均出現(xiàn)了突變,并且迅速增加,增幅較大;填土至4.4 m,此時拉應(yīng)變和壓應(yīng)變均達到最大值,之后填土高度至6.0 m,拉應(yīng)變值出現(xiàn)小幅減小,而壓應(yīng)變逐漸趨于平穩(wěn)。(3)拱周填土過程中,拉應(yīng)變位于1/8拱、7/8拱、6/8拱、5/8拱和2/8拱位置,且最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在1/8拱位置;而3/8拱、拱頂、拱腳和8/8拱均為壓應(yīng)變,最大壓應(yīng)變在8/8拱位置。當(dāng)填土增加至1.9 m時,發(fā)生了應(yīng)力集中,施工中應(yīng)注意重點觀測并記錄數(shù)據(jù)。

        2.1.2 波谷隨拱周填土增加的切向應(yīng)變

        波谷切向應(yīng)變規(guī)律見圖4,分析得出:(1)相比波峰,波谷應(yīng)變值略小。拱周初始填土,拉壓應(yīng)變同時存在并呈交替變化趨勢。拱周填土1 m,拱腳、3/8拱、拱頂、8/8拱均為拉應(yīng)變,而壓應(yīng)變出現(xiàn)在1/8拱、2/8拱、5/8拱、6/8拱和7/8拱處;拱周填土 1.9 m,拉、壓應(yīng)變值均出現(xiàn)緩慢減小,當(dāng)填土至3.1 m, 拉、壓應(yīng)變均在此時發(fā)生突變,應(yīng)變值迅速增大,或許由于施工前期,機械壓實度不足,后壓實度增加引起;填土后期4.4~6.0 m,拉、壓應(yīng)變值出現(xiàn)緩慢增長并逐步趨向穩(wěn)定。(2)填土至1.9 m,此時拉、壓應(yīng)變均出現(xiàn)應(yīng)力集中,而填土過程最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在1/8拱位置,最大拉應(yīng)變在8/8拱位置。

        圖4 波谷切向應(yīng)變規(guī)律

        2.1.3 波側(cè)隨拱周填土增加的切向應(yīng)變

        波側(cè)切向應(yīng)變規(guī)律見圖5。

        圖5 波側(cè)切向應(yīng)變規(guī)律

        從圖5分析得出:(1)波側(cè)隨拱周填土增加應(yīng)變逐漸增大,應(yīng)變變化趨勢相比波峰、波谷略小。整個填土過程中,拱頂為拉應(yīng)變,而拱腳和8/8拱為壓應(yīng)變。(2)初始填土0.2~1.9 m,拱頂位置應(yīng)變緩慢增加,而拱腳和8/8拱處壓應(yīng)變先緩慢增加后迅速增大;拱周填土1.9~4.4 m時,拱頂出現(xiàn)最大拉應(yīng)變,而拱腳和8/8拱處壓應(yīng)變呈小幅增長規(guī)律;后期填土至6.0 m,拱腳、拱頂和8/8拱的拉、壓應(yīng)變值逐漸趨于平穩(wěn)。

        2.1.4 波峰、波谷和波側(cè)隨拱周填土增加的切向應(yīng)變分析

        通過圖3~圖5對比,分析得出:(1)波峰拱腳處壓應(yīng)變最大,且應(yīng)變值相比波谷與波側(cè)較大。波谷拉應(yīng)變和壓應(yīng)變的變化規(guī)律與波峰正好形成互補。拱周填土1.9 m時,波谷各個位置出現(xiàn)拉、壓應(yīng)變交替的現(xiàn)象,而波峰出現(xiàn)應(yīng)力集中。(2)拱周填土過程中,波峰應(yīng)變值出現(xiàn)了突變,拱頂位置出現(xiàn)拉壓應(yīng)變交替的現(xiàn)象,并隨填土高度增加逐漸趨向于穩(wěn)定。波側(cè)位置在整個填土過程,應(yīng)變值先增大后趨于平穩(wěn),而拱腳和8/8拱位置為壓應(yīng)變,整趨勢小幅增加。(3)總體來看,拱周不同填土高度下,波峰、波谷最大應(yīng)變在1/8拱處,而波側(cè)最大應(yīng)變出現(xiàn)在拱腳位置。最大壓應(yīng)變?yōu)?39με,最大拉應(yīng)變?yōu)?77με,整體上小于鋼材的允許應(yīng)變,波紋鋼板拱橋安全穩(wěn)定。

        2.2 拱頂填土切向應(yīng)變分析

        2.2.1 波峰隨拱頂填土增加的切向應(yīng)變

        波峰切向應(yīng)變規(guī)律見圖6。

        圖6 波峰切向應(yīng)變規(guī)律

        由圖6分析得出:(1)隨著拱頂填土高度增加,波峰應(yīng)變值緩慢增大,總體來看,拉、壓應(yīng)變的分布規(guī)律與拱周填土相似,拉應(yīng)變主要分布在1/8拱、5/8拱、2/8拱、6/8拱和7/8拱,而壓應(yīng)變則分布于3/8拱、拱頂、8/8拱和拱腳位置。(2)起初填土0.2 m, 總體拉應(yīng)變出現(xiàn)應(yīng)力集中,而壓應(yīng)變值較為分散,填土到0.4 m,此時拉應(yīng)變快速增加,壓應(yīng)變則緩慢增加,隨拱頂填土不斷增加,應(yīng)變值增長率減小。(3)后期填土至1.5 m,此時拉應(yīng)變各位置大小關(guān)系:1/8拱>5/8拱>2/8拱>6/8拱>8/8拱;壓應(yīng)變各位置大小關(guān)系:拱腳>7/8拱>拱頂>3/8拱。其中壓應(yīng)變最大值位于拱腳,而拉應(yīng)變最大值則位于1/8拱位置。

        2.2.2 波谷隨拱頂填土增加的切向應(yīng)變

        波谷切向應(yīng)變規(guī)律見圖7。

        圖7 波谷切向應(yīng)變規(guī)律

        由圖7分析得出:(1)拱頂填土過程中,波谷應(yīng)變變化規(guī)律與波峰恰好相反,拉應(yīng)變位于3/8拱、拱頂、8/8拱和拱腳位置。而壓應(yīng)變出現(xiàn)在1/8拱、2/8拱、5/8拱、6/8拱和7/8拱位置。(2)隨拱頂填土高度的增加,拉壓應(yīng)變都在逐漸增大,填土0.2~0.6 m,壓應(yīng)變增幅較大,而拉應(yīng)變緩慢增加;當(dāng)填土0.6~1 m時,拉壓應(yīng)變增幅較小,直至填土1.5 m,拉壓應(yīng)變幾乎不再變化。(3)填土結(jié)束,最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在2/8拱處,其余各位置大小關(guān)系:6/8拱>1/8拱>5/8拱>7/8拱;最大拉應(yīng)變位于拱頂處,大小關(guān)系:拱頂>拱腳>8/8拱>3/8拱。

        2.2.3 波側(cè)隨拱頂填土增加的切向應(yīng)變

        波側(cè)切向應(yīng)變規(guī)律見圖8。

        圖8 波側(cè)切向應(yīng)變規(guī)律

        由圖8分析得出:(1)波側(cè)隨填土高度增加整體都為壓應(yīng)變,且隨著填土高度的增加逐漸增大。(2)初期填土0.2~0.8 m,應(yīng)變值增長較快,而當(dāng)填土1.2~1.5 m時,壓應(yīng)變值出現(xiàn)緩慢增長,之后隨填土高度的增加逐漸趨近于平穩(wěn)。(3)波側(cè)各測點壓應(yīng)變大小關(guān)系:拱腳>8/8拱>拱頂,且相比較于其它位置,增長斜率較大。

        2.3 土壓力測試結(jié)果分析

        土壓力變化規(guī)律見圖9。

        圖9 土壓力變化規(guī)律

        由圖9分析得出:(1)整體土壓力變化規(guī)律為逐漸增加。初始填土拱頂0.2~0.4 m時,土壓力逐漸增加。當(dāng)填土拱頂0.6~0.8 m時,土壓力值開始緩慢增加,拱周不同位置的土壓力大小關(guān)系:1/8拱>6/8拱>7/8拱>5/8拱>拱腳>2/8拱>3/8拱>跨中>8/8拱。(2)當(dāng)填土至拱頂0.8 m時,7/8拱和5/8拱土壓力產(chǎn)生了突變,可能是由于施工過程中,小型夯機對鋼波紋板拱橋產(chǎn)生擾動。拱頂填土至1.5m,土壓力增幅較大。最大土壓力在1/8拱處,最小土壓力在8/8拱位置。

        3 結(jié)語

        對跨徑10 m的波紋鋼板拱橋進行現(xiàn)場試驗,測試并分析拱橋不同位置的應(yīng)變和土壓力,可得結(jié)論:(1)拱周填土過程中,波峰與波谷變化規(guī)律相似,都在1.9 m填土處出現(xiàn)了應(yīng)力集中,并在拱周填土3.1 m 時發(fā)生突變,整體趨勢是緩慢增加→迅速增加→趨于平穩(wěn)。(2)拱頂填土過程中,波峰、波谷和波側(cè)應(yīng)變值均隨填土高度緩慢增加,波峰和波谷拉壓應(yīng)變相反,形成互補。(3)土壓力在拱頂填土過程中,變化趨勢為逐漸增大,初期增張較快,后期緩慢增加。(4)初始填土部分應(yīng)變數(shù)值有波動情況,建議在施工過程中,適當(dāng)減小拱周填土的厚度,提高壓實度,有利于減緩鋼波紋板拱橋的水平受力與豎向變形,從而使整個拱橋結(jié)構(gòu)更加安全、可靠和穩(wěn)定。

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