斜拉橋邊跨變寬段受力模型試驗研究

斜拉橋邊跨變寬段受力模型試驗研究

橋梁結(jié)構(gòu)試驗是研究橋梁結(jié)構(gòu)的重要方法之一，我們可以探索復(fù)雜結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)的壓力狀態(tài)。1829年法國科學(xué)家柯西用模型試驗研究了梁和板的振動問題;1846年英國羅伯特·斯坦福森等為修建不列顛橋設(shè)計進行了幾何相似比為1?6的橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗,取得了良好的效果。我國從20世紀50年代起,逐漸開始了橋梁結(jié)構(gòu)的模型試驗研究,并取得了豐碩的成果。近年來,橋梁科技發(fā)展迅速,大型橋梁結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用,其中,單索面斜拉橋結(jié)構(gòu)也有較多的應(yīng)用,如法國米約大橋、新建鄭州黃河公鐵兩用大橋等。在此,本文作者以鄭州市中心區(qū)跨京廣鐵路的斜拉橋為例研究大跨度單索面混凝土斜拉橋主梁局部受力的模型試驗方法。1局部模型試驗研究鄭州市中心區(qū)跨京廣線公路橋為單索面三跨雙塔預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,孔跨布置為36m+70m+248m+70m+36m,全長460m,雙向6車道。該橋主梁采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),C55混凝土,單箱多室截面,設(shè)雙向2%橫坡。標準段橋面全寬為33m,橋梁中心線處梁高3.49m。由于所處地理位置的特殊性,主橋西邊跨主梁從交接墩起長為63.5m的范圍內(nèi)為變寬段,橋面寬度由42m漸變到33m。從交接墩到輔助墩中心線的36m范圍內(nèi),主梁橫截面為單箱5室,腹板1為直腹板,厚0.70m;腹板2為曲線直腹板,厚0.50m;腹板3為曲線斜腹板,厚0.25m;輔助墩中心線以右27.50m范圍內(nèi),截面為單箱3室,直腹板1和2在該段范圍內(nèi)合二為一,厚度由2.23m漸變到0.60m。如圖1~3所示。該橋主梁變寬段構(gòu)造和受力復(fù)雜,無工程實例可循,為充分考察其受力狀態(tài),在大量理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了一個縮尺模型試驗。試驗室空間有限,若做全橋模型試驗,相似比太小,不能反映實橋的受力狀態(tài);因此,本文提出設(shè)計一個幾何相似比為1?4的局部模型試驗,但按照相似比縮尺后模型長達27m,主塔高達20m,制作難度大,試驗室的空間也不能滿足要求。這里提出了該類橋梁模型試驗的等效替代方法,以期為該方法在同類橋梁結(jié)構(gòu)試驗中的推廣應(yīng)用提供試驗依據(jù)。2建立有限元模型試驗研究思路為:(1)建立全橋平面有限元模型,得到主梁在一期恒載D1、二期恒載D2和活載L作用下的內(nèi)力;(2)截取實橋變寬段為研究對象并建立空間有限元模型,根據(jù)全橋分析結(jié)果,施加截斷面處的邊界條件荷載,然后進行受力分析,并與全橋分析結(jié)果對比分析;(3)根據(jù)幾何相似比設(shè)計試驗?zāi)Ｐ?并建立試驗?zāi)Ｐ偷目臻g有限元模型,根據(jù)實橋節(jié)段有限元模型分析結(jié)果和各參數(shù)的幾何相似比施加橋面荷載、索力荷載、邊界條件荷載,保證試驗?zāi)Ｐ团c實橋變寬段內(nèi)的幾何尺寸、荷載、邊界條件均符合相似準則;(4)制作試驗?zāi)Ｐ?完成多種荷載工況下的模型試驗,并將實測結(jié)果與理論結(jié)果進行對比分析,得出結(jié)論。根據(jù)幾何相似比,運用方程分析法和量綱分析法進行相似分析,得到模型與實橋各物理量的相似關(guān)系,并通過研究全橋的受力特性,提出各試驗工況加載遵循“荷載在結(jié)構(gòu)變寬段內(nèi)引起的彎矩與實橋相似,應(yīng)力效應(yīng)與實橋相同”的原則,即有下式成立:式中:下標m表示模型,下標s表示實橋;Cl為幾何相似比;l為幾何尺寸;σ為截面上的應(yīng)力;M為順橋向彎矩;N為軸力,Q為剪力;P為分布荷載;I為截面慣性矩;y表示截面上任一點到中性軸的距離。3模擬方法3.1分力模型模擬試驗的目的是考察主梁變寬段的受力性能,若模型設(shè)計時將主梁、主塔、斜拉索制作出來,則工期太長,效率低;因此,將斜拉索力在直角坐標系下分解為水平和豎向2個分力,其中,水平分力通過張拉布置在主梁內(nèi)的體外預(yù)應(yīng)力鋼束來模擬,鋼束的錨固位置與實橋拉索位置相同;豎向分力相當于主梁的彈性支承,通過在主梁底部與水平拉索相應(yīng)位置設(shè)置彈性簡支梁來模擬。橋面荷載和水平鋼束同步加載時引起的彈性支撐反力即為豎向分力,該方法能夠滿足水平分力和豎向分力的同步協(xié)調(diào)性,彈性支撐梁示意圖見圖4。彈性支撐梁相當于在簡支梁跨中作用集中力,通過集中力作用引起的跨中豎向彈性變形來模擬主梁的豎向位移,其設(shè)計方法如下。3.1.1斜拉索安裝面為特定的荷載狀態(tài)的豎向位移設(shè)斜拉橋共有s對斜拉索,且在特定的荷載狀態(tài)下斜拉索產(chǎn)生的索力增量為?Fi,相應(yīng)的豎向索力分量為?Fiy,主梁上相應(yīng)的斜拉索錨固點處產(chǎn)生的豎向位移為Δiy(i=1,2,…,s)。其中:式中:Δisy為由于斜拉索s的索力增量而引起的斜拉索i處錨固點的豎向位移;αi為斜拉索i與水平面的夾角。在某一特定的荷載狀態(tài)下,任一錨固點處的豎向位移都是所有斜拉索共同作用相互協(xié)調(diào)變形的結(jié)果,即:式中:Kiy為在特定的荷載狀態(tài)下第i號斜拉索在其錨固點處為主梁提供的豎向支撐剛度系數(shù)。對于某一特定的荷載狀態(tài),主梁在各個錨固點處位移的豎向分量是一組固定值,此時要給主梁提供與索力豎向分量相等的支撐反力,只需要設(shè)計出一組具有合理剛度的彈性支撐即可。則對于任一彈性支撐,其剛度系數(shù)Kj需滿足:3.1.2拉索試驗?zāi)Ｐ蛿M定彈性支撐梁為型鋼簡支梁,根據(jù)圖乘法可計算出當集中力作用在彈性支撐梁跨中位置的豎向剛度系數(shù)為:式中:E為彈性模量;Ii為彈性梁截面慣性矩;Li為彈性梁長度;i和j為變寬段內(nèi)任一拉索編號。根據(jù)計算調(diào)整好的剛度系數(shù)和場地要求選擇型鋼規(guī)格和計算跨度L,并驗算是否滿足彈性梁自身的強度要求。為保證彈性梁的安全,防止面外失穩(wěn),需要增加一些支撐保護措施。這種模擬方法的主要優(yōu)點是:(1)避免了在空間有限的試驗室制作1個尺寸高大的試驗?zāi)Ｐ?且能夠保證試驗精度;(2)試驗原理明了,模型制作容易,試驗方法簡單,易于操作,效率高。3.2橫向分力模型的施加一期恒載包括主梁自重、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力荷載、由自重產(chǎn)生的斜拉索力和斜拉索的初張力等。模型是完全按照幾何相似比制作的,自重力與實橋的相似;體內(nèi)預(yù)應(yīng)力荷載按照與實橋應(yīng)力效應(yīng)相等施加;由自重力產(chǎn)生的斜拉索力和斜拉索初張力按第3.1節(jié)中的方法施加,其中水平分力以體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的形式施加;因此,模型體內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)包括3部分:(1)主梁自身的預(yù)應(yīng)力荷載;(2)由自重力產(chǎn)生的斜拉索力的水平分力;(3)斜拉索初張力的水平分力。橋面荷載根據(jù)相似比采取“以點代面”的加載方案。其中,二期恒載按照全橋均布的方式布置加載點,車輛活載根據(jù)實橋設(shè)計的公路-Ⅰ級荷載和文獻中規(guī)定的車輛荷載橫向布置方式來布置加載點。每個節(jié)間左右側(cè)對稱布置2套加載裝置,另加3套輔助墩和實體段邊界集中力(輔助墩處一套布置在輔助橫梁中心位置,實體段2套左右對稱布置),共計25套。由二期恒載和活載引起的斜拉索力同樣按照第3.1節(jié)所述方法模擬,其中,水平分力以體外預(yù)應(yīng)力的形式施加,邊界條件荷載根據(jù)幾何相似比等效加載。4模型建立與制作為使試驗數(shù)據(jù)能夠準確地反映實橋的受力狀態(tài),模型與實橋的幾何相似比不宜太小,根據(jù)圣維南原理,模型長度也不宜太小。本文截取實橋西邊跨長度為84.00m的梁段為試驗研究對象,同時考慮試驗室場地情況,確定模型幾何相似比為1?4。試驗?zāi)Ｐ涂傞L度為22.00m,主梁中心線處梁高度為0.8725m,梁寬由10.50m漸變至8.25m,并在模型截斷面處加1.00m長的實體段,以滿足端部鋼絞線錨固和加載的構(gòu)造要求。模型設(shè)計時遵循以下原則:(1)模型尺寸嚴格按照幾何相似比設(shè)計和制作,材料與實橋的材料相同;(2)三向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)與實橋相等設(shè)計,預(yù)應(yīng)力筋的布置滿足文獻中的構(gòu)造要求;(3)普通鋼筋按配筋率與實橋相等設(shè)計,并滿足文獻中的構(gòu)造要求。模型采用C55混凝土,分底板、腹板和隔板、頂板三批澆筑?？v橫向預(yù)應(yīng)力筋采用Φs15.24高強度低松弛無黏結(jié)鋼絞線,張拉設(shè)備為穿心式千斤頂;豎向預(yù)應(yīng)力筋采用Φ25級過絲圓鋼,張拉設(shè)備為扭力扳手。頂板、底板和斜腹板的構(gòu)造鋼筋采用Φ12級鋼筋;腹板、橫隔板的構(gòu)造鋼筋采用Φ8級鋼筋。模型制作的具體順序為:搭設(shè)支架、制作外模和內(nèi)模→綁扎底板、腹板和隔板鋼筋→布置底板、腹板和隔板內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋→布置豎向預(yù)應(yīng)力筋→澆注底板混凝土→放置內(nèi)?！鷿沧⒏拱搴蜋M隔板混凝土→綁扎頂板鋼筋→布置頂板縱向、橫橋向預(yù)應(yīng)力鋼筋→澆注頂板混凝土→養(yǎng)護→張拉縱向、橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋→拆除模板→科研試驗。5模型試驗和數(shù)據(jù)分析5.1應(yīng)變測點布置根據(jù)實橋和試驗?zāi)Ｐ偷目臻g有限元分析結(jié)果,選取試驗?zāi)Ｐ晚數(shù)装逯行木€處、各板件相接處以及相鄰橫隔板截面之間的截面作為測試位置。在選定位置的混凝土表面以及相應(yīng)位置的頂、底板鋼筋上布置應(yīng)變測點。測點的具體布置情況見文獻。5.2滿布活載作用試驗包括如下4種工況,其中,工況3和4又分活載對稱加載和偏載加載2種。工況1:模擬一期恒載作用(D1);工況2:模擬二期恒載作用(D2);工況3:模擬邊跨滿布活載作用(L1);工況4:模擬全橋滿布活載作用(L2)。理論分析表明:工況3的荷載引起的斜拉索力較小,實橋最大索力不超過100kN,按照相似比縮尺后索力很小,而工況1,2和4引起的索力相對較大,因此,試驗中只對工況1,2和4考慮斜拉索力的作用。表1所示為試驗中各工況施加的荷載,圖5~7所示為工況1~3的加載模式和相應(yīng)荷載下模型與實橋(縮尺后)順橋向彎矩對比圖,圖8所示為工況2和4的加載模式和二者相組合時的順橋向彎矩對比圖。從圖5~8可見:模型與實橋在各工況荷載作用下引起的順橋向彎矩(實橋彎矩縮尺后)差別微小,說明圖示加載模式合理,能夠正確反映實橋的受力狀態(tài)。5.3主梁頂、底板與邊腹板的應(yīng)力分布關(guān)系根據(jù)表1各工況的加載情況,選擇荷載較大的工況1和工況(2+4)的試驗數(shù)據(jù)進行分析。圖9~12所示分別為工況1和工況(2+4)作用下主梁頂、底板中心線處和頂、底板與邊腹板交界處的順橋向應(yīng)力分布曲線。從圖9~12可見:在各工況荷載作用下,實橋模型、試驗?zāi)Ｐ妥儗挾畏秶鷥?nèi)頂、底板中心線處和頂、底板與邊腹板交界處順橋向應(yīng)力的理論值和試驗值較吻合,變化趨勢基本一致,試驗值能夠較好地反映實橋的受力狀態(tài)。6試驗結(jié)果驗證了(1)在理論分析的基礎(chǔ)上提出了“各工況荷載在結(jié)構(gòu)變寬段內(nèi)引起的彎矩與實橋相似,應(yīng)力效應(yīng)與實橋相同”的原則,確保模型截面受力與實橋的相似。分析計算結(jié)果表明:在各工況荷載作用下,模型主梁變寬段內(nèi)的順橋向彎矩與實橋相應(yīng)荷載下的彎矩(縮尺后)相差不大,除工況1的個別區(qū)域偏差稍大外,其他工況差值均在-5%~5%以內(nèi),由此可見各工況荷載模擬結(jié)果正確。(2)試驗設(shè)計時采用了“將斜拉索力分解為水平和豎向2個分力,水平分力通過張拉布置在中箱內(nèi)的體外鋼絞線來模擬,豎向分力通過設(shè)置在模型底部的彈性支撐梁提供的豎向反力來模擬”的斜拉索力加載方案,避免了在空間有限的試驗