双层均布荷载作用腹板开孔混凝土简支箱梁模型试验研究分析.pdf
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1、第 3 6卷 第 6期 2 0 1 4年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f C i v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 6 No 6 De c 2 O1 4 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 4 0 6 0 0 5 双层均布荷载作用腹板开孔混凝土筒支箱梁 模 型试 验研究分析 祝 明桥 , 汪建群 , 王 凡 ( 湖南科技 大学 土木 工程 学
2、院, 湖 南 ,孙 康 杰 湘 潭 4 1 1 2 0 1 ) 摘 要 : 为 实现 城 市双 层 交通 , 以 1: 6比例 设计 了腹 板 开孔 混凝 土 箱 梁 , 对 其在 双 层 均布 荷 载作 用 弹性工作状态下的受力性能进行 了试验研 究。基 于试验 结果建立有限元模型对其进行分析, 在理 论 值 与试验 值 吻合 的基 础上 , 讨 论 了开 孔与 否对 试验 梁 弹性 阶段 受 力性 能 的影 响 。研 究表 明 : 均 布 荷 载作 用在双 层 箱 梁底 板 其 实测跨 中挠 度 比相 同荷 载作 用 于顶板 时增 大 9 7 , 底 板加 栽 对腹板 开 孔混 凝 土 简
3、支箱 梁 的挠 度 有 较 大影 响 ; 较 不 开 孔 箱 梁 而 言 , 各 工况 作 用 时 开孔 箱 梁跨 中挠 度 增 大 2 2 9 0A2 8 1 9 6 , 且 开孔 梁在各 工 况作 用下截 面 剪 力滞 系数 增 大 , 最 大增 大 量值 达 6 2 0 。 因此 , 腹 板 开孔 对承 受双 层荷 载钢 筋混凝 土 简 支箱梁抗 弯受力 性能 有较 大影 响 。 关 键词 : 双层 交通 ; 箱 梁桥 ; 腹板 开孔 ; 均布荷 载 ; 剪 力滞 中 图分 类 号 : TU3 7 5 1 ; U4 4 1 5 文献标 志 码 : A 文章 编号 : 1 6 7 4 4
4、7 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 2 9 0 5 Ex pe r i m e nt a l Ana l y s i s o f S i mp l y S u p po r t e d Co nc r e t e Bo x Gi r d e r wi t h W e b Op e n i n g s mo de l Und e r Do u bl e Un i f o r ml y Di s t r i bu t e d Lo a d Z h u Mi n g q ia o, Wa n g J ia n q u n, Wa n g F a n, S u n K a n g j
5、i e ( Col l e ge of Ci v i l Engi ne e r i ng, H u na n Uni v e r s i t y of Sc i e nc e a nd Te c hno l o gy,Xi a ngt a n 411 2 01,H u na n,PR C h i n a ) Ab s t r a c t : I n or d e r t o s a t i s f y t he de m a nd o f t he d ou bl e de c k t r a f f i c i n c i t y,a c o nc r e t e b ox g i r d
6、e r mo de l wi t h r e c t a ng ul a r we b o pe ni n gs wa s d e s i g ne d wi t h r a t i o o f 1: 6 Ex pe r i m e nt a l s t ud y wa s c a r r i e d ou t t o i nv e s t i ga t e t he f l e xur a l c a pa c i t y o f t he m o d e l gi r de r wi t h d ou bl e u ni f or ml y d i s t r i bu t e d l o
7、 a d The f i ni t e e l e m e nt m o d e l wa s e s t a bl i s he d ba s e d on t he e x pe r i me nt a nd t he r e s u l t s a g r e e d wi t h m e a s u r e m e nt r e s ul t s Th e e f f e c t o f t h e we b o pe ni ng s on t he gi r d e r wa s e xp l o r e d Th e r e s u l t s de m o ns t r a t
8、e d t h a t t he de f l e c t i on c a u s e d b y l o a d on bo t t o m p l a t e o f bo x g i r d e r wa s 9 7 mor e t h a n t ha t of l oa d o n t he t o p p l a t e The de f l e c t i o n o f gi r de r wi t h we b o pe n i ng i s 22 9 28 1 gr e a t e r t ha n t h a t of g i r de r wi t ho ut we
9、b o pe ni n g Compa r e d wi t h g i r de r wi t h ou t we b o pe ni n g,t he s he a r l a g o f g i r de r wi t h we b op e n i ng i nc r e a s e d,o f wh i c h t he m a x i m u m va l u e wa s 6 2 0 i n v a r i o u s wo r k i n g c o n d i t i o n s s i mp l y s u p p o r t e d c o n c r e t e b o
10、 x g i r d e r wi t h we b o p e n i n g s u n d e r d oub l e u ni f or m l y di s t r i b ut e d l o a d a f f e c t t he f l e x ur a l c a p a c i t y Ke y wo r d s : do ub l e d e c k t r a f f i c ;b ox g i r d e r br i dg e s ;we b o p e ni n g;d i s t r i bu t e d l o a d;s h e a r l a g 混凝
11、土 箱梁 因具 良好 受力 性 能 而特 别 适用 于 中 等跨度城市桥梁 。通过取消其横隔板 , 使顶 、 底板均 成为桥面系, 同时在腹板上开设必要的孔洞 以满足 通风、 采光及 消防等要求 , 可实现双层交通 。该种 形 式 的双层 桥 可有 效缓解 当前城 市 土地 资 源紧 张 及 交通拥堵等现状 。 2 O世纪 6 O年代出现了混凝土箱梁双层桥 的雏 形 , 其上层为公路桥面 , 下层底板两侧设悬臂板作 收 稿 日期 : 2 0 1 4 0 4 2 8 基金 项 目: 国家 自然科学 基金( 5 1 3 7 8 2 0 2 ) 作者 简介 : 祝 明桥 ( 1 9 6 8) , 男
12、 , 博 士 , 教授 , 主要从事混凝土新材料及其 应用研究 , ( E - ma i l ) 1 5 3 1 2 9 0 2 7 9 q q c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 O 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 6 卷 为人 行道 。中 国 的南 昌大 桥 4 、 重 庆 嘉 悦 大桥 和 长沙 营盘 东路 浏 阳河 大 桥 均 采用 了类 似 的结构 形 式。因需克服箱梁腹板开孔 、 取消横隔板等一系列 难 题 , 在混 凝 土箱 梁 室 内实 现 交 通 较 为 困难 。而 目 前 的相关研 究较 为滞 后 。学者 们对 双
13、层 荷 载 作用 箱 梁受 力性 能研究 多见 于有 机玻 璃模 型试 验 或 数值 模 拟分 析_ 7 J , 对腹板 开孔 混凝 土梁 的研究 多 见于 T梁 或深梁l- 】 “ 。中国有少数学者对双层荷载作用箱梁 或腹 板开孔 梁 受力性 能进 行 了探讨 。郭建 斌 运用 有 机玻 璃模 型试验 和有 限元 分析 方法 对 双层 荷 载连 续 箱梁剪力滞效应进行研究并得到其规律口 ; 黄泰赞 和蔡健等 H 对腹板开设圆孔和矩形孔钢筋混凝土 简支 矩形 梁进 行 了系 列试 验 研 究 , 为 开 孔 梁 力 学 模 型 和设计 方法 的建立 提供 了试 验 依据 。随后 祝 明桥 等|
14、 1 I l 对腹板开有矩形 孔的钢筋混凝土简支梁建立 空 间有 限元模 型进 行 非线 性 数 值 分 析 , 并 对 其 孔 洞 高度 、 孔侧加强筋等参数进行分析 , 得出了一些有价 值 的结论 。对 于 面 向双 层 交 通 混 凝 土 箱 梁 而 言 , 抗 弯受力性能为其最主要设计参数之一 , 而 目前相关 试验 数据 较为 缺乏 。 笔者 按 1: 6比例设 计 了腹 板 开 孔 单 箱 三 室 钢 筋混凝土简支箱梁 , 对其在双层均布荷 载作用 弹性 工作 状态 下 的受力性 能 进行 了试 验测 试 。主 要研 究 了双 层均 布荷 载作用 下 简支箱 梁关 键 截 面变 形
15、 和应 变分 布规律 ; 并 建 立 有 限 元 模 型对 试 验 进 行 模 拟 分 析 。在有 限元 分 析 与试 验 结 果 相 吻 合 的 基 础 上 , 探 讨 了双层均 布荷 载作 用 下腹板 开孔 对 结构 抗 弯受 力 性 能 的影 响 。 l 试 验 概 况 1 1 试验 模 型及测 点布 置 在模型设计之前 , 采用混凝 土简支箱梁设计 了 一 座 中等跨 度 城市 双 层 桥 , 该 桥 上 层 道路 为 I I 级 主 干路 , 双向 4车道; 下层为 CI 型列车 , 双 向通行。 试 验模 型箱 梁 为该 双层 桥 的 1:6缩 尺 模 型 。模 型 箱 梁 混 凝
16、 土 强 度 等 级 为 C 5 0 , 采 用 HP B 2 3 5和 HR B 3 3 5钢筋 。试 验模 型考 虑 因底 板通 车 取 消 了箱 梁 内部常规设置的横隔板 , 在模型支座截面 、 1 4跨 及 跨 中设 置 了环 向加 劲肋 ; 考 虑采 光 、 通风 及 消 防安 全需求, 在腹板 开设 了矩形孔。试验模型箱梁实物 及 平 面 图如 图 1所示 。 为测试 模 型箱 梁在 双层均 布荷 载 作用 下 关键 截 面变 形和 应变 分 布规 律 , 分 别 在 1 8跨 、 1 4跨 、 3 8 跨 和 跨 中截面 布 置 混凝 土应 变 片 ; 在 支 座 截 面及 跨
17、内八分点截面安装百分表 , 具体布置如图 2所示 。 ( b ) 模型平面图( 单位:m m ) 图 1 试 验 模 型 箱 梁 实 物 及 平 面 图 ( a)挠度测点布置 27 5 l 3 J 2 J 2 1 I Z , l 4 : : : 窿 : : : : : 虽 8l , 1 厂 开孔截 面 加劲 肋截面 善 寸 -iZ震 ( b)混凝土应变测点布置 图 2 箱梁试验模型截面 尺寸及测点布置( 单位 : mm) 1 2加载 方案 采 用均 布荷 载 模 拟 桥 梁 的汽 车 及 列 车 活 荷 载 , 本 试验 采用 砂袋 和砝码 堆 载实 现均 布 荷 载加 载 。 以 箱梁跨 中
18、弯矩等效 为原则 , 按设计荷载等级计算其 正常使用极 限状 态效应组合下等 效均布荷载 q 一 1 6 9 1 k N m, 承 载能力极 限状态作 用效应组 合下 q 一3 5 9 8 k N m, 开 裂 时 对 应 的 均 布 荷 载 q 一 2 6 8 1 k N m, 加载最大均布荷载 q = = = 1 8 8 4 k N m l 1 1 q 一5 2 q 一7 0 q 。 。由于仅针对双层均布 荷载作用腹板开孔混凝土简支箱梁在弹性范围内受 力 性 能进行 试验 研究 , 综 合考 虑试 验 目的 , 并 保证 箱 梁不 开裂 , 兼顾 箱梁顶 板 、 底板 加 载 的可操 作
19、性 和安 全性 , 加载 荷载 设 置 如下 : 1 ) 分 3种 工 况 加 载 , 其 中 工况 1和 工况 2仅分别 在箱梁顶 板和底板 加载 , 工 况 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 6 卷 与分析 值对 比结 果 如 图 6所 示 。为 节省 篇 幅 , 此 处 仅给 出 1 1 截 面 ( 未 开孔 ) 和 3 - 3截 面 ( 开孔 ) 结 果 , 同 样利用截面的对称性对其进行描述 。即试验实测值 与分析结果各取一半 , 以箱梁横
20、截面 中轴线为对称 轴 , 左边为实测数据 , 以虚线表示; 右边为分析数据, 以实 线表 示 。 20 0 o 一1 5 00 1 0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 l 0 0 0 1 5 0 0 20 0 0 堇 : 会 : 一 : 商 赞 o 6 o o - 、 、 : = : r 厂 应变力横 向位置 m m ( a )1 1 截面顶 板应 变分布 2 o o o 一1 5 0 0 1 o o o一 5 0 0 o 5 0 0 1 0 o 0 1 5 0 0 2o o o : ; 一 摹 夸 盎 一 擘 q 。 一:l 1 b : : l 、 = 厂 应变力横 向位置 m m (
21、 b)3 3 截 面顶板应变分布 注: 。 。 。 o。 。 。 工况1 - O 工况2 。 。 。 工况3 一工况 1 一工况2 _ 一工况3 一自重 图 6试验梁应变 实测值 与分 析值 比较 由图 6可知 : 1 ) 各级荷载作用下 , 应变实测值与有限元计算 值规律一致 , 实测值较计算值偏小 5 1 5 。 2 ) 不论 是 1 _ 1 截 面还 是 3 3截 面截 面 , 工 况 1作 用 下 ( 荷 载 直 接 作 用 于 顶 板 ) 顶 板 应 变 最 大 , 工 况 2 作 用下 ( 荷 载直 接 作 用 于 底板 ) 顶 板 应 变最 小 , 工 况 3作用时其应变居二者之
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- 双层 荷载 作用 腹板 混凝土 简支箱梁 模型 试验 研究 分析
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