东平大桥钢-混凝土结合段模型试验.pdf
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1、2 0 桥梁建设 2 0 1 1年第 4 期 文章编号 : 1 0 0 3 -4 7 2 2 ( 2 0 1 1 ) 0 4 -0 0 2 0-0 5 东平大桥钢 一混凝 土结合段模型试 验 占玉林 , 赵人达 , 毛学明 , 董碧 霞。 ( 1 西 南交通 大 学桥 梁工 程 系, 四川 成都 6 1 0 0 3 1 ; 2 中铁大桥 勘测 设计 院有 限公 司, 湖北 武 汉 4 3 0 0 5 0 ;3 西南 电力设 计院 , 四川 成都 6 1 0 0 2 1 ) 摘要 :为研 究钢一 混凝 土结合段 全过程 受力性 能 , 结合 东平 大桥 实桥 , 根 据 等效 原 则设计 并 完
2、成 了一榀 钢 混凝 土结合段 模 型试验 。模 型比例 采 用 1: 2 5 , 混 凝 土 梁肋部 分 为 T 形截 面, 结 合段采 用钢 箱混凝 土横 粱过 渡 。钢 与混凝 土粘 结界 面采用 P B L剪 力连接 件构 造 , 并辅 以纵 向预 应 力筋共 同作用。试验过程进行 了静力、 疲劳和破坏 3个阶段的加载。试验结果表明: 设计荷载作用 下 , 结合段 具 有 良好 的 强度 和 刚度 , 应 力水 平较低 ; 疲 劳荷 栽作 用 下 , 结合段 的 混凝 土表 层会 有微 小 裂纹 出现 , 但 结构整 体 刚度 依 然 良好 ; 破 坏荷 载相 对 于设 计荷 载具有
3、较 高的安全 储备 。 关键 词 :拱桥 ; 钢 混结合 段 ; 应 力 ; 挠 度 ; 疲 劳 ; 裂纹 ; 模 型试验 中图分类 号 : U4 4 8 2 2 ; TU3 1 7 文献 标志码 : A M o d e l Te s t o f S t e e l a n d Co n c r e t e J o i n t S e c t i o n o f Do n g pi ng Br i d g e ZHAN Y u - l i n ,ZHAO Re n - d a ,M AO Xu e m i n g ,DONG Bi x i a。 ( 1 De p a r t me n t o
4、f Br i d g e En g i n e e r i n g,S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y,Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 ,Ch i n a ; 2 Ch i n a Ra i l wa y Ma j o r Br i d g e Re c o n n a i s s a n c e& De s i g n I n s t i t u t e C o ,Lt d ,Wu h a n 4 3 0 0 5 0 , C h i n a ;3 CPE CC S o u t h we s t El e c
5、 t r i c P o we r De s i g n I n s t i t u t e ,Ch e n g d u 6 1 0 0 2 1 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :To s t u d y t h e wh o l e p r o c e s s me c h a n i c a l b e h a v i o r o f s t e e l a n d c o n c r e t e j o i n t s e c t i o n s, i n a c c o r d a n c e wi t h t he a c t u al Do ng pi n
6、g Br i dg e a nd o n t he pr i nc i pl e o f e q ui v a l e nc e, t h e mo d e l t e s t o f a s t e e l a n d c o n c r e t e j o i n t s e c t i o n wa s d e s i g n e d a n d c a r r i e d o u t Th e s c a l e o f t h e mod e l i s 1 :2 5 The p a r t o f t he c on c r e t e gi r d e r r i b i s t
7、 h e T s ha p e s e c t i on a n d t he t r a ns i t i on a t t h e j o i n t s e c t i o n i s t h e c o n c r e t e f i l l e d s t e e l b o x c r o s s b e a mAt t h e c o n n e c t i o n i n t e r f a c e o f t h e s t e e l a n d c o nc r e t e,t h e PBL s he a r c o nn e c t o r s we r e u s
8、e d a nd t he l o n gi t udi na l p r e s t r e s s i n g t e nd o ns we r e a r r a n g e d a s we l l t o j o i n i n t h e a c t i o n o f t h e s h e a r c o n n e c t o r s I n t h e mo d e l t e s t ,t h r e e s t a g e s of t he s t a t i c l o a d,f a t i gue l o a d a nd f a i l u r e l oa
9、d we r e a pp l i e d The r e s ul t s o f t he t e s t i n d i c a t e t ha t u n d e r t h e d e s i g n e d l o a d ,t h e j o i n t s e c t i o n h a s g o o d s t r e n g t h a n d r i g i d i t y a n d t h e s t r e s s l e v e l s a r e l o wUn d e r t h e f a t i g u e l o a d,mi c r o c r a
10、 c k s a p p e a r i n t h e s u r f a c e o f t h e c o n c r e t e o f t h e j o i n t s e e t i o n,ho we v e r,t h e g l o ba l r i gi di t y of t h e s t r u c t ur e i s s t i l l a l l r i g ht a nd r e l a t i v e l y t o t he de s i gn e d 1 oa d,t he f a i l ur e l o a d h a s r a t h e r
11、h i g h s a f e t y ma r g i n Ke y wo r d s :a r c h b r i d g e ;s t e e l a n d c o n c r e t e j o i n t s e c t i o n;s t r e s s ;d e f l e c t i o n;f a t i g u e ;c r a c k; m 0 d e l t e s t 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 3 0 8 基金项 目: 高等学校博士学科点专项科研基金资助课题 ( 2 0 0 9 0 1 8 4 1 2 0 0 3 3 ) ; 西南交通大学科技发展基金联合资
12、助( 2 0 0 9 QK0 4 ) 作者简介:占玉林 ( 1 9 7 8 一) , 男 , 副教授, 2 0 0 2年毕业于西南交通大学土木工程专业 , 工学学士 , 2 0 0 7年毕业 于西南交通大学桥梁与 隧道工程 专业 , 工学博士 ( z h a n y u 1 i n 2 O 0 2 1 6 3 c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 东平大桥钢 一混凝 土结合段 模型试验 占玉林 , 赵人达 , 毛学 明 , 董碧霞 2 1 1 引 言 钢一混凝土结合形式的结构在整体受力分析方 面与普 通 桥梁 没有 区别 , 但 处 于 钢 梁 与
13、 混 凝 土 梁 交 界处的结合段受力性能极为复杂 。在施工荷载 和车辆 荷载 的反 复 作 用 下 , 结 合 段 的应 力 处 于不 断 变化过程中。结合段的变形性 能、 抗疲 劳性 能以及 耐久 性 能关 乎到 桥梁结 构 整体 使用 性 能和极 限 承载 能力 , 一 个性 能 良好 的 结合 段 应 能使 内力 在 钢 梁 与 混凝 土梁 之 间平顺 过 渡 , 且 满 足二 者 之 间协 调 性 的 要求 。钢 与混 凝 土 的材 料 性 能 差 异 较 大 , 造 成 其 应 力水平 差 异较 大 , 需 要在 一定 力 学分 析 的基础 上 , 结 合模型试验研 究, 才能达
14、到跟 实 际结 构相符 合 的 程 度 。 目前 国 内主要 有 桥 梁科 学 研 究 院 、 重 庆 交通 大 学 和西 南交 通大 学 等 科 研 机 构 开展 这 方 面 的研 究 , 陈开利 、 王戒 躁 等 结 合 舟 山桃 天 门桥 的 钢 一混 凝 土 结合 段进行 了 1: 2的 缩尺模 型 试验 , 主要 研究 了 混凝 土 的 抗 裂 性 能 和 截 面 的剪 力 滞 效 应 。周 志 祥 等【 6 结合有限元方法对 比了 3种不同结合段设计方 案 , 通 过 增加加 劲 肋 数 量 和 增 大混 凝 土 接 触 面 积 等 措 施 达到 将混凝 土 应 力 逐 渐 由高
15、向低 转 变 的 效果 。 李乔 、 周浩等 结合南京三桥的桥塔 区域钢 一混凝 土 结合 段 的剪力 设计 问题 进行 了研 究 。这些研 究工 作 主要集 中于结 合段 的优 化设 计 和线 弹性试验 验证 方 面 , 本 文结 合广 东 佛 山 东平 大 桥 钢 一混 凝 土 结合 段进 行大 比例 尺 寸 的模 型试 验 , 试 验 加 载 过 程综 合 考察 静力 性能 、 疲 劳性 能和 破坏 性能 。 2桥 梁概 述 东 平 大 桥 主桥 是 采 用 主 、 副 拱肋 空 间组 合 体 系 的中承式钢桁拱 一连续梁协作体系, 主跨为钢桁拱, 边跨为连续梁 , 结合段处于钢桁拱与连
16、续梁交界处 。 主 桥跨 径组 合为 ( 4 3 5 +9 5 5 + 3 0 0 +9 5 5 +4 3 5 ) m, 桥 面梁 由 3道 主 纵 梁 ( 即 钢 系杆 ) 、 次 纵 梁 、 主横 梁 、 次横 梁组 成格 子桥 面梁 ; 格 子梁 上架 设钢 一混凝 土组 合桥 面板 , 桥 面板 最小 板厚 1 2 c m、 最 大板厚 2 O c m, 桥 面铺 装 为 5 a m 厚 的 改 性 沥 青 混 凝 土 。桥 梁 设计荷载为 : 汽车一超 2 0级 , 挂一1 2 0级 ; 局部构件 采用城一A荷载标准验算 ; 人群荷载按照规范取值 。 东平 大桥 总体 布置 见 图
17、1 。 8 1 5 3 5 。 6 1 3 3 0 4 2 9 0 43 5 0 f 江 道 一 一 图 1东平大桥总体布置 Fi g 1 Ov e r a l l Ar r a n g e me n t o f Do n gp i n g Br i d g e 3钢 一混凝 土 结合段 模 型设计 东平 大桥主桥采用钢 一混凝土组合体系 , 边跨 采用 预 应 力 混 凝 土 连 续 粱 桥 , 其 主 梁 采 用 多 片 T 梁 。钢 一混凝 土 结合 处 采 用 钢 箱 混 凝 土 横 梁 过 渡 , 并辅 以预应力 筋 ( 图 2 ) 。钢 与混 凝 土 的 表 面连 接 采 用 P
18、B L剪 力连 接件 ( P B L剪 力连 接 件在 承受 复杂 应 力状 态 时优 良的力 学 性 能 在 国 内、 外 得 到 了一 定 研 究及 验证 _ 8 , 这 种剪 力 连 接模 式 近 年 来 在 国 内得 到 了较 好 的 应 用 推 广 ) , 并 布 置 一 定 数 量 的 贯 通 钢筋 。 为 了得 到 连接部 位 在静力 荷 载和 疲劳 荷 载作用 下 的真实应 力分 布 , 需对 连接 部位 进行 细 致分 析 , 得 到尽 可能反 映 实际 连 接 部 位 的 结 构行 为试 验 模 型 , 采 用 1: 2 5的结 构模 型 进行 试 验 。模 型 试 验采
19、用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 桥梁建设 2 0 1 1年第 4 期 计 , 结 合部 的构 造细节 仍然 与实桥 一致 ; 根据等 效原 则 , N1采 用 1 O 1 5 2 4钢 绞 线 , N2 N4均 采 用 7 1 5 2 4钢绞 线 。试 验模 型总 体布 置见 图 3 。 4 8 0 I 96I 4 80 T 形 混 凝土 纵粱 肋 钢 混 凝土 搔梁 T 形 混凝 土 纵粱 肋 单位:c m 图 3 钢一混凝土结合段试验模型 F i g 3 T e s t Mo d e l o f S t e e l a n d Co n c r
20、e t e J o i n t S e c t i o n 4 试验情况及理论计算 试验过 程共 分 为三 阶段 : 静 力试 验 、 疲 劳 试 验 、 破 坏试 验 。对 模 型 的材 料 进行 力 学 测试 , 得 到 钢 材 和混凝土材料 的主要力学参数 。根据应力等效原则 确定静力试验荷载为 3 9 5 k N, 疲劳试验荷载上 、 下 限值分别为 3 9 5 k N和 8 k N。静力试验加载值按照 设计荷载的 2 0 递增至设计荷载 , 每级持荷 5 mi n , 测 试结 构 的变 形 和 应 变 ; 采 用 MTS液 压伺 服 系 统 进 行 2 0 0万次 疲劳试 验 加载
21、 , 测试 间隔分 别 为 1 , 5 , 2 5 , 5 0 , 1 0 0 , 2 0 0 万次 , 在测试 间隔期 内, 观察结构变 形 和应 力发展 情况 , 记 录裂纹 的发生及 发展 情况 ( 测 试 区域 主要集 中在 结 合段 两 侧 钢 与混 凝 土 表 面 , 对 混凝 土 预计开 裂 区域 应力 进行监 控) , 破 坏试 验采 用 试验 机进 行分级 加载 至试件 破坏 。 采用 ANS YS有限元软件对结合段进行空间理 论计算分析, 采用实体单元模拟混凝土结构, 采用板 壳单元模拟钢板 , 采用杆系单元模拟预应力钢筋, 假 定钢 与混凝 土之 间 的剪 力连 接为完
22、全粘 结 。 5结果及 分析 5 1 静力试 验 在静 力荷 载 作用 下 , 结 合段 两 侧 的钢 和混 凝 土 的应力值较小 , 均处于受压状态。模型竖向挠度沿 跨 度方 向 的分布 曲线 见 图 4 ( 图 中 P为 设计 荷 载 对 应 的试验 荷 载) , 可 以看 出 , 挠度 沿 跨 度 方 向 的分 布 接 近光 滑 曲线 ; 由于钢箱 梁整体 刚度 较大 , 在钢箱 梁 附 近 , 钢箱 混凝 土整 体 变 形 反 映在 挠 度 曲线 上 为 钢 箱 混凝土 位置 的 曲线 斜 率减 小 ; 但 总 体趋 势 反 映 结 合段关键截面粘结性能在设计荷载作用下性 能 良 好
23、。跨 中的挠 度 随荷 载 变 化 曲线 见 图 5 , 从 图 中 可 以看 出 , 计算 值 与试验 值吻合 良好 , 从 侧面证 明结构 刚度整 体性 能 良好 。 距左支点距离 c m 图 4 静 力试验过程 中挠度变化 曲线 Fi g 4 Ch a ng i ng o f De fle c t i o n i n St a t i c Te s t 2 2 昌 1 拳 留 0 荷载 k N 图 5 静 力试验阶段荷载挠度 曲线 Fi g 5 Lo a d De fle c fio n a t S t a g e o f St at i c Test 5 2疲劳试 验 疲劳计算表明结构
24、整体截面不会出现裂纹 。疲 劳试验 时 , 在 2 0 0万次疲 劳荷 载作用 下 , 过 渡接 头共 出现 了 3 条 可见裂 纹 , 分别记 为 M1 、 M2和 M3 。首 条裂纹出现在 5 0万次疲劳荷载时 。根据结合段处 钢材表面和混凝土的连接方式推断 , 5 0万次疲劳后 出现 的首次裂 纹应 为构 造表 面 裂 纹 , 是 由于表 层 混 凝土 与钢板 的粘结 缺 陷 造成 的 , 对 结 构 受 力不 会 造 成 影 响 。随后 在疲 劳 试 验过 程 中 , 陆 续 出 现 了一些 裂纹 , 裂纹发生在梁肋腹板与钢箱接头交接处 , 位于 混凝土梁肋腹板侧面。疲劳试验过程 中的
25、裂纹宽度 见表 1 , 可以看出裂纹宽度均在 0 0 1 O 0 5 mm, 小 于规范规 定 的限值 。 表 1疲劳试验 过程中裂 纹宽度 Ta b 1 Cr a c k W i d t h i n Fa t i gu e Test 注 : 表中“ 闭合” 表示裂纹宽度很小 , 无法测读 ; “ 一” 表示没有产生 裂纹 。 5 3破坏试 验 破 坏 试验 加 载 过程 中 , 为 了观察 裂纹 的发展 情 况 , 对 N1 , N2和 N3的裂纹 宽度 发展 情 况进 行 了观 测 和记 录 , 裂 纹宽 度随荷 载 的发 展情 况 见 图 6 , 可 以 看 出 , 在 荷 载小 于 3
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