大跨度鋼桁式拱橋模型試驗研究

大跨度鋼桁式拱橋模型試驗研究

管道混凝土樓梯拱橋是承受拱承受壓力的承擔橋，用于施工和使用。在施工時,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,將鋼管混凝土結構應用于拱橋,解決了拱橋材料向高強度發(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。鋼管混凝土結構應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),設計為中承式鋼管混凝土桁式拱橋,拱軸系數(shù)為1.167,大橋總設計長度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鍵問題。文獻規(guī)定當拱肋寬度小于各拱肋橫撐間距的1/20時,應驗算拱肋的橫向穩(wěn)定性;文獻對有限元方法和當量壓桿法進行了比較,指出了當量壓桿文獻認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,考慮該效應可以使臨界荷載提高1.4~1.8倍;文獻認為拱肋的側向抗彎剛度對鋼管混凝土拱橋的側向穩(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計和施工規(guī)范,為檢驗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行整橋的模型試驗,以確定該橋的整體受力性能。1試驗模型的設計1.1試驗模型的建立為了使模型試驗所得的結果能準確反映實橋的結構性能,試驗模型應根據(jù)相似理論進行設計與制作。經(jīng)分析,若采用與實橋相同的材料,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計制作模型,由于鋼管直徑太小,管中混凝土澆筑質量難以保證,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的方法計算。與拱橋整體穩(wěn)定性相關的基本物理量有: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行相似分析,得到試驗模型的各個相似參數(shù)。式中:上標p代表原型,上標m代表模型;CL為幾何相似系數(shù);式中:σ—應力,ε—應變,δ—位移。1.2幾何相似系數(shù)根據(jù)模型加工、制作、試驗加載的實際情況,決定幾何相似系數(shù)采用:CL=1/24.32,根據(jù)實橋的各構件尺寸,按幾何相似比,得到模型各構件截面尺寸,見表1。1.3理論分析結果為保證試驗模型的相似性能夠滿足,將試驗模型的理論分析結果與按相似關系求得的理論值進行比較,見表2。由表2可見,試驗模型較精確地滿足了相似性。2桿法施加豎向荷載為模擬實橋的荷載作用,試驗模型沿縱向共設15個加載點。采用杠桿法施加豎向荷載,可用較少的砝碼來實現(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,通過鋼絞索和轉向滑輪,將懸掛砝碼的豎直荷載轉化成水平側向力,具體的加載裝置見圖3。3試驗結果分析根據(jù)鋼管混凝土拱橋的受力特點以及橋梁在使用過程中可能出現(xiàn)不利荷載工況組合,擬定本次模型試驗共有六個荷載工況,表3列出了各個工況的主要試驗結果。由表3的試驗結果及理論分析,提出以下結論和建議:(1)試驗模型的設計與制作采用了截面剛度等效的原則,將鋼管內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,即模型各構件完全按照與實橋對應構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計試驗模型是可行的。(2)試驗結果表明,在各工況試驗荷載作用下,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),試驗值與精細有限元計算結果很接近,說明此類結構的有限元計算結果具有足夠的準確性。(3)由表3可見,工況五,即半跨加載工況的應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,設計時應以此工況控制設計。(4)橋梁的模型試驗證明,橋梁在二倍恒載和設計車輛荷載作用下,橋梁沒有出現(xiàn)面內面外的整體失穩(wěn),也沒有出現(xiàn)桁架的局部失穩(wěn),試驗說明實橋的穩(wěn)定系數(shù)在2.0以上。經(jīng)分析,南浦大橋是以強度為控制設計目標的,強度的安全系數(shù)約在2.0左右,也即橋梁承受二倍的結構自重和車輛荷載時,橋梁已接近強度破壞,在模型試驗時,當施加二倍的橋道系自重和設計車輛荷載,試驗模型的拱腳鋼管焊縫出現(xiàn)開裂,開始進入強度破壞狀態(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,可在鋼管內灌注水泥砂漿,在結構分析時,不考慮水泥砂漿的作用。這說明雖然橋梁的面內、面外的穩(wěn)定系數(shù)計算值達到4.0以上,但當橋梁承受二倍的荷載時,橋梁將出現(xiàn)強度破壞,換句話說,對于南浦大橋若出現(xiàn)破壞