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      基于靜載試驗(yàn)鋼-混凝土組合箱梁斜拉橋力學(xué)特性分析

      2021-12-28 13:04:00陳彰發(fā)
      福建交通科技 2021年9期
      關(guān)鍵詞:索力拉索校驗(yàn)

      ■陳彰發(fā)

      (福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司,福州 350013)

      鋼-混凝土組合箱梁通過保留受壓區(qū)的混凝土翼板,受拉區(qū)只有布置鋼梁,二者之間通過抗剪連接件組合成整體,這樣既不會(huì)產(chǎn)生混凝土受拉開裂的問題, 也不會(huì)因鋼梁受壓側(cè)剛度較弱而發(fā)生失穩(wěn),同時(shí)還具備較高的剛度和較輕的自重。 鋼-混凝土組合箱梁因其具良好的抗扭性能, 在大跨徑的斜拉橋得到廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)學(xué)者已在鋼-混凝土組合梁橋理論與計(jì)算[1-2]、抗剪連接性能[3-4]等方面作了諸多工作。聶建國等[5]通過精細(xì)模型和桿系模型對(duì)比分析,證明兩者計(jì)算結(jié)果吻合良好,桿系模型具有良好的準(zhǔn)確度和適用性。 鑒于目前較缺乏針對(duì)鋼-混凝土組合箱梁斜拉橋整體結(jié)構(gòu)基本力學(xué)行為的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 本研究從成橋荷載試驗(yàn)角度,對(duì)鋼-混凝土組合箱梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析, 為今后此類橋梁設(shè)計(jì)及進(jìn)行荷載試驗(yàn)提供參考。

      1 橋梁概況

      某跨海大橋主橋, 采用全封閉鋼-混凝土組合箱梁、 門型索塔斜拉橋結(jié)構(gòu), 跨徑布置為147.5+296+147.5=591 m,邊中跨比為0.498∶1,塔的高跨比為0.456∶1。 主橋中跨位于R=16 000 m 的豎曲線范圍內(nèi),與兩側(cè)邊跨順接(縱坡2.5%)。 采用三跨半漂浮體系,空間密索型布置;索塔與主梁間縱向設(shè)置粘滯限位阻尼約束裝置, 支座橫向約束并設(shè)鋼阻尼。 主梁:采用抗風(fēng)性能優(yōu)異的扁平流線形全封閉鋼疊合梁。 所采用的組合箱梁主要輪廓尺寸為:含封嘴全寬約37.5 m,不含封嘴頂板寬35 m,中心線處高度3.5 m(不含鋪裝)。 索塔塔柱:索塔采用門形,分為塔座、下塔柱、下橫梁、上塔柱和上橫梁等5 個(gè)部分。 設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h,設(shè)計(jì)荷載:公路-Ⅰ級(jí),行車道數(shù):雙向六車道。 該橋主橋立面、平面簡圖見圖1。

      圖1 主橋立面、平面圖

      2 靜力加載試驗(yàn)

      2.1 模型建立

      采用midas Civil 對(duì)大橋進(jìn)行建模計(jì)算, 斜拉索采用桁架單元模擬,橫梁及塔、墩等構(gòu)件均采用梁單元模擬,主梁與拉索間的連接采用剛臂的方式實(shí)現(xiàn)[6]。 其中組合箱梁截面通過midas Civil 的SPC 計(jì)算將混凝土部分換算為鋼材部分[7];拉索截面通過拉索的鋼絲數(shù)量和直徑, 面積等效為一個(gè)圓截面。樁基礎(chǔ)邊界條件采用Winker 地基梁模擬法(m 法)計(jì)算彈性支撐的水平剛度[8]。 設(shè)計(jì)活載采用公路-Ⅰ級(jí),雙向八車道(根據(jù)橋面凈寬確定)進(jìn)行活載內(nèi)力計(jì)算。 根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)的活載內(nèi)力包絡(luò)圖和位移包絡(luò)圖, 確定結(jié)構(gòu)的最大彎矩截面和最大撓度截面(圖2~5)。

      圖2 主橋主梁橫斷面圖

      圖3 主橋立面及現(xiàn)場加載照片

      圖4 有限元模型圖

      2.2 測試截面確定

      圖5 活載內(nèi)力包絡(luò)圖

      根據(jù)模型活載內(nèi)力包絡(luò)圖確定最大正 (負(fù))彎矩截面,從而確定應(yīng)變測試截面;通過變形包絡(luò)圖確定最大變形截面,從而確定變形測試截面;根據(jù)活載索力包絡(luò)圖確定最大索力拉索。 由于組合橋型的拉索作用,主梁最大正彎矩截面與最大撓度截面不一致,故撓度及應(yīng)變工況分開進(jìn)行。 應(yīng)變截面測試工況需進(jìn)行撓度測量進(jìn)行加載控制。 相應(yīng)測試截面位置見表1 及圖6 。

      圖6 主橋立面、平面圖

      2.3 測試工況

      根據(jù)測試項(xiàng)目分為16 個(gè)小工況, 以主梁工況為主進(jìn)行工況合并為8 個(gè)大工況。 各工況荷載效率見表2。

      表2 靜力加載試驗(yàn)計(jì)算值及荷載效率

      2.4 測點(diǎn)布置

      2.4.1 應(yīng)變測點(diǎn)布置

      斜拉橋的應(yīng)變測試結(jié)果反映了橋梁在荷載作用下發(fā)生的內(nèi)力或應(yīng)力變化大小,也是橋梁靜載試驗(yàn)的主要測試數(shù)據(jù)之一。 斜拉橋共設(shè)置了120 個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。 其中91# 塔共12 個(gè),主梁共108 個(gè),詳見圖7~9。 本次混凝土構(gòu)件應(yīng)變采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測試, 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變采用應(yīng)變片測試。

      圖7 應(yīng)變測試截面布置圖

      圖8 B、C、E 主梁截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

      圖9 H 塔截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

      2.4.2 變形測點(diǎn)布置

      斜拉橋的變形觀測是靜載試驗(yàn)的最主要觀測對(duì)象之一,因此為了充分反映橋梁結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn)幾何變形量, 斜拉橋共設(shè)置了54 個(gè)變形測點(diǎn)。 其中,主梁撓度上下游及中線各14 個(gè);索塔縱向位移共4 個(gè)。 具體布置見圖10、11。

      圖10 撓度測點(diǎn)縱向布置圖

      2.5 測試方法

      圖11 撓度測點(diǎn)橫向布置圖

      本次靜力荷載試驗(yàn)的主要觀測項(xiàng)目及量測方法為:(1)撓度:對(duì)于各撓度測點(diǎn),準(zhǔn)備階段在梁底安裝萊卡小棱鏡,試驗(yàn)時(shí)采用萊卡全站儀測量。 (2)應(yīng)變:對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變測點(diǎn)布置電阻應(yīng)變片,采用無線靜態(tài)應(yīng)變采集器測量;對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變測點(diǎn)布置振弦應(yīng)變計(jì),采用無線振弦靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)測量。 (3)塔頂縱向位移:對(duì)于塔頂縱向位移測點(diǎn),準(zhǔn)備階段在塔頂安裝萊卡小棱鏡,試驗(yàn)時(shí)采用萊卡全站儀測量。 (4)索力:對(duì)于斜拉索索力測點(diǎn),采用無線索力測試儀測量。 (5)支點(diǎn)沉降:對(duì)于各支點(diǎn)沉降測試截面,采用數(shù)顯千分表測量。

      3 靜載數(shù)據(jù)實(shí)測與分析

      3.1 位移數(shù)據(jù)分析

      (1)主梁試驗(yàn)荷載(雙向八車道等效荷載)下主跨跨中最大撓度234 mm,小于JTG/T D65-01-2007《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》 對(duì)主梁在車道荷載作用下的最大豎向撓度,620 mm=248/400×1000。

      (2)數(shù)據(jù)分析主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)0.75~0.98,平均0.86,處于JTG/J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的常值范圍0.75~1.00。 說明結(jié)構(gòu)實(shí)測撓度與理論計(jì)算較為吻合, 實(shí)測整體剛度大于理論剛度;殘余變位-4.04%~6.06%,說明整體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài);雙塔雙索面,橋面寬35 m,主跨主梁撓度橫向偏載增大系數(shù)介于1.121~1.134,邊跨主梁撓度橫向偏載增大系數(shù)介于1.113~1.144。主跨主梁扭轉(zhuǎn)角度0.193°,邊跨主梁扭轉(zhuǎn)角度0.074°。說明主梁扭轉(zhuǎn)剛度比較大,不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾覆(圖12)。

      圖12 相應(yīng)最大撓度加載工況作用下主梁各斷面撓度實(shí)測值分析

      (3)在試驗(yàn)荷載下,第91# 塔的左右側(cè)塔頂縱向位移校驗(yàn)系數(shù)為0.80~0.92,說明主塔結(jié)構(gòu)實(shí)測撓度與理論計(jì)算較為吻合,實(shí)測整體剛度大于理論剛度;殘余變位-5.48%~3.90%,說明整體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài);

      3.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

      應(yīng)變實(shí)測與理論分析如圖13~14 所示。 底板應(yīng)變數(shù)據(jù)分析:校驗(yàn)系數(shù)0.71~0.99,平均0.92,其中底板校驗(yàn)系數(shù)0.82~0.95, 平均0.88,U 肋校驗(yàn)系數(shù)0.73~0.84, 平均0.79, 均低于或處于JTG/J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》 規(guī)定的常值范圍0.75~1.00,說明鋼混組合結(jié)構(gòu)實(shí)測應(yīng)變與理論計(jì)算較為吻合;殘余變位-4.32%~6.26%,說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài); 組合箱梁截面整體符合平截面假定,U 肋參與截面受力, 但扁平鋼箱梁截面受剪力滯影響,腹板附近應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)較中間部分大;U 肋部分校驗(yàn)系數(shù)較底板小。

      圖13 相應(yīng)最大彎矩加載工況作用下主梁頂板應(yīng)變實(shí)測與理論分析

      (1)腹板應(yīng)變數(shù)據(jù)分析,腹板應(yīng)變隨截面高度線性分布,表明截面整體符合平截面假定,中性軸較理論偏上,應(yīng)該是實(shí)際混凝土頂板剛度較理論偏大導(dǎo)致中性軸上移。

      圖14 相應(yīng)最大彎矩加載工況作用下主梁底板應(yīng)變實(shí)測與理論分析

      (2)頂板應(yīng)變數(shù)據(jù)分析,頂板應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.31~0.50;應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)低于JTG/J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》 規(guī)定的常值范圍0.60~0.90。應(yīng)變控制截面處的相對(duì)殘余應(yīng)變在-4.22%~13.33%,說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。頂板為混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較理論剛度大,導(dǎo)致校驗(yàn)系數(shù)偏低。

      (3)塔柱底應(yīng)變數(shù)據(jù)分析,91# 塔塔柱底最大彎矩截面處頂板應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.36~0.75;該橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)低于或處于JTG/J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的常值范圍0.40~0.80。 應(yīng)變控制截面處的相對(duì)殘余應(yīng)變在-3.59%~8.64%, 滿足JTG/J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中小于20%的規(guī)定。 塔柱為混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較理論剛度大,導(dǎo)致校驗(yàn)系數(shù)偏低。

      圖15 主跨最大正彎矩加載工況作用下主梁應(yīng)變測試截面腹板應(yīng)變分析

      3.3 索力數(shù)據(jù)分析

      荷載試驗(yàn)前對(duì)某某跨海大橋主橋進(jìn)行成橋索力測試。 全橋斜拉索在恒載下的索力分布均衡,左右幅拉索恒載索力對(duì)稱性較好;實(shí)測索力與理論索力較吻合。 全橋88 根斜拉索,其中82 索力偏差小于5%。 6 根斜拉索索力偏差5%~10%, 最大偏差8.69%,成橋索力結(jié)果見圖16。 根據(jù)活載索力增量最大值,選取中跨、邊跨10 號(hào)、11 號(hào)拉索進(jìn)行相應(yīng)工況索力增量試驗(yàn)(表3)。 因設(shè)備故障,未能測得中跨跨中附近索力增量結(jié)果,僅進(jìn)行相應(yīng)工況邊跨索力測試分析。

      圖16 成橋狀態(tài)索力測試結(jié)果

      表3 工況-斜拉索索力增量分析(單位:kN)

      斜拉橋作為組合結(jié)構(gòu),斜拉索、橋塔及主梁三者能否協(xié)同受力關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力。 從表3 可知,本次索力增量測試工況中選取的斜拉索的索力增量校驗(yàn)系數(shù)0.91,表明斜拉索的活載索力的實(shí)測值基本與計(jì)算值相吻合,且拉索內(nèi)的貯存應(yīng)力(恒載+活載)均滿足JTG/T D65-01-2007《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》的要求,即小于708 MPa(0.4×拉索抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度)。

      4 結(jié)論

      通過對(duì)某跨海大橋主橋荷載試驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:(1) 鋼-混凝土組合箱梁撓度校驗(yàn)系數(shù)接近1,實(shí)測撓度與理論計(jì)算較為一致;主梁組合箱梁截面抗彎剛度較大, 撓度變形符合設(shè)計(jì)限值要求,且扭轉(zhuǎn)剛度較大,扭轉(zhuǎn)角度小,橫向偏載增大系數(shù)小, 不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾覆。 (2)鋼-混凝土組合箱梁符合平截面假定, 但扁平鋼箱梁剪力滯影響存在,導(dǎo)致應(yīng)力在腹板附近較中部大,U 肋參與截面受力,但應(yīng)力較底板?。?鋼結(jié)構(gòu)部分實(shí)際剛度與理論一致,而混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較理論大,導(dǎo)致組合箱梁截面中性軸上移,截面實(shí)際剛度較理論偏大。 (3)橋塔縱向位移、斜拉索索力增量校驗(yàn)系數(shù)接近1,說明橋塔、主梁及斜拉索能較好的協(xié)同工作,符合組合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

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