鋼管混凝土系桿拱橋系梁應(yīng)力狀態(tài)分析

王哲龍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

鋼管混凝土系桿拱橋系梁應(yīng)力狀態(tài)分析

王哲龍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

以茅茨峴立交特大橋1×128 m系桿拱橋?yàn)橐劳?，分系梁澆筑完畢和系梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束2種工況，將從實(shí)橋采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正后，與有限元模擬值和按1∶16縮尺室內(nèi)模型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明:相同工況、相同位置處實(shí)橋截面應(yīng)力實(shí)測值、有限元模擬值和室內(nèi)模型試驗(yàn)值大致相同，誤差在0.6%～5%。

鋼管混凝土系桿拱橋;相似理論;有限元模擬;縮尺模型;應(yīng)力分析

系桿拱橋兼有拱橋跨越能力大和簡支梁橋地基適應(yīng)能力強(qiáng)兩大特點(diǎn)，是大跨度組合結(jié)構(gòu)橋梁的重要發(fā)展方向之一。鋼管混凝土是在薄壁圓形鋼管內(nèi)填充混凝土，利用鋼管對核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)，從而使其具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力。與通常的圬工拱橋和梁橋相比，它具有結(jié)構(gòu)受力合理、用料省、造型美觀等特點(diǎn)，但拱橋在建造過程中，如何準(zhǔn)確掌握施工階段的結(jié)構(gòu)受力情況尤其是關(guān)鍵部位應(yīng)力一直是工程師們共同關(guān)注的問題。因此，施工過程中的跟蹤監(jiān)測必不可少?，F(xiàn)對從實(shí)橋采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正，并與有限元模擬和室內(nèi)模型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，以期為待建類似橋梁設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1　工程概況

依托工程為一鋼管混凝土下承式系桿拱橋，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式為剛性系梁剛性拱。系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，按全預(yù)應(yīng)力混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)。拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/5，理論計(jì)算跨度128 m。系梁全長131 m，采用滿堂支架法施工，先在滿堂支架上澆筑系梁而后在系梁上搭設(shè)支架架設(shè)拱肋。系梁為單箱三室截面，梁高3.0 m，梁頂寬14.7 m，底寬12.04 m，距系梁端部10.5 m范圍內(nèi)，梁頂加寬至15.3 m，梁底加寬至13.2 m。邊腹板厚64 cm，拱腳處加厚至185 cm，中腹板厚38 cm，拱腳處加厚至210 cm，箱梁頂設(shè)有2%的橫坡，分5段澆筑。

2　有限元模型的建立

根據(jù)實(shí)際情況建立了全橋有限元模型，施工過程通過大型有限元分析軟件Midas/Civil實(shí)現(xiàn)。模型共分為495個(gè)節(jié)點(diǎn)，447個(gè)單元。吊桿采用只受拉桁架單元模擬，其余縱梁、橫梁、拱肋、橋面板均采用梁單元模擬，其中梁單元379個(gè)，桁架單元68個(gè)。對時(shí)間依存性材料進(jìn)行了定義，以此考慮收縮、徐變的影響。模型中定義了自重、預(yù)應(yīng)力荷載、吊桿索力和二期荷載4種靜力荷載，并包含系梁澆筑、拱肋拼裝和安裝吊桿等29個(gè)施工階段。建立的有限元模型如圖1所示。

圖1　全橋有限元模型

3　室內(nèi)模型的制作

為了進(jìn)一步直觀分析系桿拱橋的受力特性，也為解決實(shí)際橋梁無法模擬不同工況的問題，依據(jù)相似原理按1∶16的比例制作了室內(nèi)模型(圖2)，計(jì)算跨徑為8 m，室內(nèi)模型與實(shí)橋主要在幾何、材料、邊界、荷載等方面相似。室內(nèi)試驗(yàn)采用靜態(tài)應(yīng)變測試儀(圖3)采集數(shù)據(jù)。

圖2　室內(nèi)模型

圖3　靜態(tài)應(yīng)變測試儀

4　數(shù)據(jù)采集

分別采集現(xiàn)場橋梁、有限元模型與室內(nèi)模型關(guān)鍵位置處的應(yīng)力并進(jìn)行對比分析。測點(diǎn)分別布置在大、小里程拱腳截面，L/4截面(L為計(jì)算跨徑)，L/2截面，3L/4截面。L/4截面測點(diǎn)布置在左側(cè)底板(左底)、頂板中部(頂中)和右側(cè)底板(右底)3個(gè)位置;L/2截面測點(diǎn)布置在左側(cè)底板(左底)、右側(cè)底板(右底)、左側(cè)頂板(左頂)和右側(cè)頂板(右頂)4個(gè)位置;3L/4截面測點(diǎn)布置在左側(cè)頂板(左頂)、底板中部(底中)和右側(cè)頂板(右頂)3個(gè)位置。具體的測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4　測點(diǎn)布置示意

在現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)控中，采用智能弦式應(yīng)變計(jì)，并配合綜合測試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可在儀器上直接讀出鋼筋應(yīng)力計(jì)的應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)，使用簡單方便直觀。

5應(yīng)力測試結(jié)果分析

首先提取具有代表性的L/4截面、L/2截面、3L/4截面處的數(shù)據(jù)，先對實(shí)橋采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正，然后將其與有限元模擬值和室內(nèi)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。表1為系梁澆筑完畢時(shí)三者截面應(yīng)力的對比，表2為系梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后三者截面應(yīng)力值的對比。表1、表2均包含L/4左底、L/4頂中、L/4右底、L/2左底、L/2右底、L/2左頂、L/2右頂、3L/4左頂、3L/4底中、3L/4右頂10個(gè)截面位置。

表1　系梁澆筑完畢時(shí)截面應(yīng)力有限元模似值、室內(nèi)模型試驗(yàn)值和實(shí)測值的對比

表2　系梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后截面應(yīng)力有限元模似值、室內(nèi)模型試驗(yàn)值和實(shí)測值的對比

從表1、表2可以看出，有限元模擬值、室內(nèi)模型試驗(yàn)值、實(shí)測值三者大小比較接近。系梁澆筑完畢時(shí)截面應(yīng)力室內(nèi)模型試驗(yàn)值與有限元模擬值的誤差絕對值在0.2%～1.4%。實(shí)測值與有限元模似值的誤差絕對值在0～0.9%。系梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后截面應(yīng)力室內(nèi)模型試驗(yàn)值與有限元模擬值的誤差絕對值在0.4%～6.8%;實(shí)測值與有限元模擬值的誤差絕對值在0.2%～5.4%。還可以看出，L/4，L/2，3L/4各截面處頂板的應(yīng)力絕對值相比底板要大，這是由于系梁下方滿堂支架在系梁自重荷載作用下產(chǎn)生彈性變形導(dǎo)致頂板受壓所致。

系梁澆筑完畢時(shí)、系梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后截面應(yīng)力室內(nèi)模型試驗(yàn)值、實(shí)測值與有限元模擬值的對比分別見圖5、圖6。

圖5　系梁澆筑完畢時(shí)截面應(yīng)力室內(nèi)模型試驗(yàn)值、實(shí)測值與有限元模擬值的對比

圖6　系梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后截面應(yīng)力室內(nèi)模型試驗(yàn)值、實(shí)測值與有限元模擬值對比

從圖5、圖6可以看出，系梁澆筑完畢時(shí)、系梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后2種工況下截面應(yīng)力曲線的變化趨勢大致相同，且室內(nèi)模型試驗(yàn)值、實(shí)測值與有限元模擬值誤差絕對值大致在5%。說明有限元模似值、室內(nèi)模型試驗(yàn)值能夠比較好地反應(yīng)實(shí)際橋梁受力狀態(tài)，由此驗(yàn)證了有限元模型和室內(nèi)模型的合理性。

6　結(jié)語

1)從橋梁各控制截面應(yīng)力來看，有限元模似值與實(shí)測值誤差絕對值在0～5.4%，說明有限元模型參數(shù)選取及建模合理。

2)室內(nèi)模型試驗(yàn)的應(yīng)力經(jīng)過相似比換算后與實(shí)際橋梁相同位置處實(shí)測應(yīng)力誤差絕對值在0～4.1%，說明本室內(nèi)模型制作合理，具有一定的預(yù)測意義。

3)由于模型的部分結(jié)構(gòu)(如吊桿)可重復(fù)使用，除了可以測試系梁不同工況下不同位置的應(yīng)力外，還可對未建橋梁吊桿不同張拉順序下相應(yīng)位置處的應(yīng)力進(jìn)行測試，充分發(fā)揮模型的預(yù)見作用。

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(責(zé)任審編 葛全紅)

Stress Analysis of Collar Beam of Concrete-filled Steel Tube Tied Arch Bridge

WANG Zhelong
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

The research background is Maocixian interchange bridge，a 1×128 mtied arch bridge．Two cases were studied including collar beam casting and longitudinal prestressing strands tensioning．The measured stress in the field test with tem perature correcting was com pared with results of finite elem ent sim ulation and 1∶16 scale model testing conducted in the lab．The results show that the stress values of these three methods are very close given the same loading case and the same location，and the error is within 0.6%to 5%．

Concrete-filled steel tube tied arch bridge;Sim ilarity theory;Finite elem ent sim ulation;Scale model; Stress analysis

U448．22+5;U448．33

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．06

1003-1995(2016)11-0023-04

2016-07-10;

2016-09-20

王哲龍(1983—)，男，工程師，碩士。