大跨度鋼桁式拱橋模型試驗(yàn)研究

大跨度鋼桁式拱橋模型試驗(yàn)研究

管道混凝土樓梯拱橋是承受拱承受壓力的承擔(dān)橋，用于施工和使用。在施工時(shí),空鋼管不但具有模板和鋼筋的功能,還具有加工成型后的空鋼管骨架剛度大、承載力高、重量輕的優(yōu)點(diǎn),將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于拱橋,解決了拱橋材料向高強(qiáng)度發(fā)展和無支架施工、拱圈輕型化的兩大問題,因而得到了迅速的發(fā)展,我國目前已建和在建的鋼管混凝土拱橋近100座,已建成的廣州丫髻大橋跨徑為360米。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于拱橋的另一種形式為鋼管混凝土勁性骨架拱橋,已建成的四川萬縣大橋即為這種形式,跨徑為420米。淳安南浦大橋位于浙江省淳安縣千島湖北區(qū),設(shè)計(jì)為中承式鋼管混凝土桁式拱橋,拱軸系數(shù)為1.167,大橋總設(shè)計(jì)長度330m,凈跨徑308m,凈矢高60m,矢跨比1/5.5,橋面凈寬為凈9m+2×1.5m(人行道),拱肋外側(cè)間距為15.55m,寬跨比為1/19.81,南浦大橋的總體布置見圖1。由于南浦大橋的寬跨比較小,其拱肋的橫向穩(wěn)定是橋梁安全性的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)規(guī)定當(dāng)拱肋寬度小于各拱肋橫撐間距的1/20時(shí),應(yīng)驗(yàn)算拱肋的橫向穩(wěn)定性;文獻(xiàn)對有限元方法和當(dāng)量壓桿法進(jìn)行了比較,指出了當(dāng)量壓桿文獻(xiàn)認(rèn)為增加橫撐的剛度和橫撐的數(shù)量,對提高鋼管混凝土拱橋的側(cè)向穩(wěn)定是有利的,并分析了提籃式鋼管混凝土拱橋的橋面系保向力的效應(yīng),考慮該效應(yīng)可以使臨界荷載提高1.4~1.8倍;文獻(xiàn)認(rèn)為拱肋的側(cè)向抗彎剛度對鋼管混凝土拱橋的側(cè)向穩(wěn)定性影響最大。由于對鋼管混凝土拱橋尚處于研究中,目前沒有該類橋梁的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范,為檢驗(yàn)該橋在各種荷載工況下的受力性能及穩(wěn)定性,對寬跨比較小的淳安南浦大橋進(jìn)行整橋的模型試驗(yàn),以確定該橋的整體受力性能。1試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕榱耸鼓Ｐ驮囼?yàn)所得的結(jié)果能準(zhǔn)確反映實(shí)橋的結(jié)構(gòu)性能,試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)根據(jù)相似理論進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作。經(jīng)分析,若采用與實(shí)橋相同的材料,則鋼管的壁厚太薄,根本無法找到符合要求的鋼管,并且即使找到這種管材,也難以焊接。根據(jù)模型加工、制作的實(shí)際情況,決定采用壁厚2mm的鋼管按照“桿對桿”截面特性相似的原則來設(shè)計(jì)制作模型,由于鋼管直徑太小,管中混凝土澆筑質(zhì)量難以保證,故決定按剛度等效的原則采用鋼材替代混凝土,鋼管混凝土的剛度按文獻(xiàn)的方法計(jì)算。與拱橋整體穩(wěn)定性相關(guān)的基本物理量有:彈性模量E,泊松比μ,幾何尺寸L,彎矩Mη,扭矩Mζ,軸力Nζ,剪力Qξ,分布荷載Pξ,分布力矩mη,分布扭矩mζ。采用方程分析法和量綱分析法進(jìn)行相似分析,得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母鱾€(gè)相似參數(shù)。式中:上標(biāo)p代表原型,上標(biāo)m代表模型;CL為幾何相似系數(shù);式中:σ—應(yīng)力,ε—應(yīng)變,δ—位移。1.2幾何相似系數(shù)根據(jù)模型加工、制作、試驗(yàn)加載的實(shí)際情況,決定幾何相似系數(shù)采用:CL=1/24.32,根據(jù)實(shí)橋的各構(gòu)件尺寸,按幾何相似比,得到模型各構(gòu)件截面尺寸,見表1。1.3理論分析結(jié)果為保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨菩阅軌驖M足,將試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦碚摲治鼋Y(jié)果與按相似關(guān)系求得的理論值進(jìn)行比較,見表2。由表2可見,試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^精確地滿足了相似性。2桿法施加豎向荷載為模擬實(shí)橋的荷載作用,試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱乜v向共設(shè)15個(gè)加載點(diǎn)。采用杠桿法施加豎向荷載,可用較少的砝碼來實(shí)現(xiàn)拱圈上較大的荷載,具體加載裝置如圖2所示。水平荷載加在拱圈的一側(cè),通過鋼絞索和轉(zhuǎn)向滑輪,將懸掛砝碼的豎直荷載轉(zhuǎn)化成水平側(cè)向力,具體的加載裝置見圖3。3試驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)鋼管混凝土拱橋的受力特點(diǎn)以及橋梁在使用過程中可能出現(xiàn)不利荷載工況組合,擬定本次模型試驗(yàn)共有六個(gè)荷載工況,表3列出了各個(gè)工況的主要試驗(yàn)結(jié)果。由表3的試驗(yàn)結(jié)果及理論分析,提出以下結(jié)論和建議:(1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作采用了截面剛度等效的原則,將鋼管內(nèi)的混凝土換算成等效的鋼材,模型用薄壁鋼管制作而成。并采用了“桿對桿”相似的原則,即模型各構(gòu)件完全按照與實(shí)橋?qū)?yīng)構(gòu)件幾何相似和截面剛度相似的原則制作,保證了兩者之間的幾何相似性。由表2、表3可見,采用截面剛度等效的原則設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪强尚械摹?2)試驗(yàn)結(jié)果表明,在各工況試驗(yàn)荷載作用下,除工況3跨中水平位移相差較大(可能是由于測量失誤所致),試驗(yàn)值與精細(xì)有限元計(jì)算結(jié)果很接近,說明此類結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果具有足夠的準(zhǔn)確性。(3)由表3可見,工況五,即半跨加載工況的應(yīng)變和撓度均大于全橋布載的工況,說明該橋的最不利荷載工況為半跨布載工況,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以此工況控制設(shè)計(jì)。(4)橋梁的模型試驗(yàn)證明,橋梁在二倍恒載和設(shè)計(jì)車輛荷載作用下,橋梁沒有出現(xiàn)面內(nèi)面外的整體失穩(wěn),也沒有出現(xiàn)桁架的局部失穩(wěn),試驗(yàn)說明實(shí)橋的穩(wěn)定系數(shù)在2.0以上。經(jīng)分析,南浦大橋是以強(qiáng)度為控制設(shè)計(jì)目標(biāo)的,強(qiáng)度的安全系數(shù)約在2.0左右,也即橋梁承受二倍的結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載時(shí),橋梁已接近強(qiáng)度破壞,在模型試驗(yàn)時(shí),當(dāng)施加二倍的橋道系自重和設(shè)計(jì)車輛荷載,試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓澳_鋼管焊縫出現(xiàn)開裂,開始進(jìn)入強(qiáng)度破壞狀態(tài)。鋼管并沒有出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象,為保證鋼管的局部穩(wěn)定,可在鋼管內(nèi)灌注水泥砂漿,在結(jié)構(gòu)分析時(shí),不考慮水泥砂漿的作用。這說明雖然橋梁的面內(nèi)、面外的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值達(dá)到4.0以上,但當(dāng)橋梁承受二倍的荷載時(shí),橋梁將出現(xiàn)強(qiáng)度破壞,換句話說,對于南浦大橋若出現(xiàn)破壞