大跨度中承式钢管混凝土拱桥荷载试验研究及其结构性能评价.pdf
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1、大跨度中承式钢管混凝土拱桥具有轻质高强、跨越能力大、施工方便、造价低等优势,近年来作为拱式体系桥梁被广泛应用于公路和城市道路建设中,由于该类桥型的构造形式和受力特点较常规桥梁复杂,因此对其静力和动力特性进行了研究,采用Midascivil软件建立了桥梁有限元模型,结合静载试验和动载试验研究,并应用加载和工况优化原则,给出了大跨度中承式钢管混凝土拱桥的结构性能评价结果,为同类桥梁的结构性能研究提供了参考。关键词:大跨度中承式钢管混凝土拱桥;静载试验;动载试验;结构性能评价中图分类号:U441.2Load Test Study and Structural Performance Evaluati
2、on of Long SpanHalf-through Concrete Filled Steel Tube Arch Bridge(1.School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Bejing 102616,China;2.Beijing Jiutongqu Testing Technology Co.,Ltd.,Beijing 100071,China)Abstract:The long span half-through co
3、ncrete filled stel tubular arch bridge has the advantages of light weight,high strength,large span capacity,convenient construction and economic cost.In recent years,it has been widelyused in highway and urban highway construction as an arch system bridge.Because the structural form and mechan-ical
4、characteristics of this type of bridge are more complex than those of conventional beam bridges,its static anddynamic characteristics are studied.The finite element model of the bridge is established by Midas civil software.Bycombination of the static load test and dynamic load test research,applica
5、tion of the principles of load loading andcondition optimization,the structural performance evaluation results of long span half-through concrete filled steeltubular arch bridge are given,which provides a reference for the structural performance research of similar bridges.Key words:long span half-t
6、hrough concrete filled steel tubular arch bridge;static load test;dynamic load test;structural performance evaluation文献标志码:ALong Peiheng,Li Jiawei*,Li Jintao?近年来,随着我国桥梁建设的不断发展,跨越大江(河)海湾(峡)的新颖结构长大桥梁工程相继涌现,即将投入运营的长大桥梁需进行技术状况检收稿日期:2 0 2 3-0 3-10作者简介:龙佩恒,男,教授,博士,主要研究方向为桥梁技术状况评定和维修加固以及桥梁抗震。通讯作者:黎家,男,在读硕士
7、研究生,主要研究方向为装配式桥梁施工工艺。引文格式:龙佩恒,黎家玮,李金涛.大跨度中承式钢管混凝土拱桥荷载试验研究及其结构性能评价.市政技术,2 0 2 3,41(8):18 9-197.LONG P H,LIJ W,LIJT.Load test study and structural performance evaluation of long span half-through concrete flled steel tube archbridgeJ.Journal of municipal technology,2023,41(8):189-197.)测,为工程验收提供可靠的数据支撑
8、,以确保桥梁安全投入运营。荷载试验是桥梁检测常用方法之一1,可分为静载试验和动载试验,静载试验是指测试桥190梁结构各控制面在试验荷载作用下的应变和挠度,动载试验是指通过桥梁结构的自振特性和动力响应测试桥梁指定断面的动应变、动挠度以及加速度2。通过试验分析桥梁结构在荷载作用下的静力和动力特性,并以此为依据完成桥梁结构的性能评价,判断桥梁结构性能是否满足设计使用要求,进而掌握桥梁的工作性能,为桥梁后期运营与维修保养提供可靠依据3-6。由于大跨度中承式钢管混凝土拱桥的构造形式、受力特点较常规桥梁复杂,因此在荷载试验研究及其结构性能评价过程中,笔者应用荷载加载以及工况优化原则,在成桥状态下进行有限元
9、建模分析,并结合静载试验和动载试验研究给出大跨度中承式钢管混凝土拱桥的结构性能评价,为同类桥梁的结构性能研究提供参考。45501960-60-80800800-80Journal of Municipal Technology20 80013:80010400第41卷1工程概况以某大跨度中承式钢管混凝土拱桥为例,主桥跨径为(45.5+2 0 8.0+45.5)m,桥面宽度为2 5m,左、右幅车行道净宽均为11.2 5m。主拱轴线采用悬链线,中跨拱桥计算跨径为2 0 5.0 m,矢高为38.6 8 m,矢跨比为1/5.3,拱轴系数为1.2 5;边拱肋为悬链线箱拱,理论跨径为40.2 m,矢高为1
10、3.10 m,拱轴系数为1.50,主桥在桥梁两侧各设8 根系杆,主跨共设19对吊杆。拱桥桥面系为8 m宽的钢筋混凝土T形梁,采用先简支后固结体系。引桥采用预应力混凝土T梁,下部桥台采用柱式台、U形台接桩基础,桥墩采用柱式或墙式墩,桥台和桥墩采用桩基础。大跨度中承式钢管混凝土拱桥立面布置如图1所示。2.58013800=10.40080080080080065060008045502.500品ZKS134.05m35G1600915.4002.0720最高通航水位2.5m111802.07mKC1346m18021.0m1722-30.4m2有限元模型建立笔者采用Midascivil软件建立大跨
11、度中承式钢管混凝土拱桥主桥整体结构模型(如图2 所示)进行静力和模态分析7,建模采用空间杆系模型,考虑了过渡墩支座、主拱座桩土相互作用的影响,桩基按照实际桩长考虑,桩侧土作用采用土弹簧模拟,桩底固结。承台、桥墩、拱肋、立柱、横梁、系杆、桥面板均采用梁单元模拟,吊杆采用桁架单元模拟,其中主钢管拱采用联合截面,其他构件均采用设计截面。桥面铺装、护栏等桥面系荷载施加于相应构件上,计算活荷载按双向6 车道和公路I级考虑3静载试验研究3.1设试验控制截面和加载工况根据桥梁结构模型以及JTG/TJ21-012015公路桥梁荷载试验规程8 应用荷载加载以及工况优47.54羊羊-18.5L-30.4m?图1大
12、跨度中承式钢管混凝土拱桥立面布置图(cm)Fig.1 Elevation of long span half-through concrete filled steel tubular arch bridge1)加载车辆设置静载试验采用三轴载重车进行加载,车辆前轴距中轴3.2 5m,中轴距后轴1.35m两轴水平距离为1.9m;计算取后轴重量为2 8 0 kN,前轴重量为7 0 kN,-16.8m7-20.4m图2 大跨度中承式钢管混凝土拱桥有限元模型Fig.2 Finite element model of long span half-through concretefilled steel
13、 tubular arch bridge化原则,根据内力计算结果选取9 个控制截面进行静载试验,试验控制截面和加载工况见表1,具体控制截面布置如图3所示。3.2试验设置第8 期截面A-AB-BC-CD-DE-ED-DC-CB-BA-A4550100600650800800800800龙佩恒等:大跨度中承式钢管混凝土拱桥荷载试验研究及其结构性能评价表1静载试验控制截面和加载工况Tab.1 Control section of static load test and loading conditions加载方式截面位置加载工况-轴跨边拱肋1/2 截面I-轴跨边拱肋拱脚截面主拱肋拱脚(近轴)主拱肋
14、1/4拱肋主拱肋拱顶主拱肋3/4拱肋主拱肋拱脚(近轴)-2 轴跨边拱肋拱脚截面-4轴跨边拱肋1/2 截面191纵向横向按边拱肋1/2 处最大正弯矩截面最不利位置加载偏载按边拱肋拱脚处最大负弯矩截面最不利位置加载偏载按主拱肋拱脚处最大负弯矩截面最不利位置加载偏载V按主拱肋1/4拱肋处最大正弯矩截面最不利位置加载V按主拱肋拱顶处最大正弯矩截面最不利位置加载VI按主拱肋3/4拱肋处最大正弯矩截面最不利位置加载VI按主拱肋拱脚处最大负弯矩截面最不利位置加载VII按边拱肋拱脚处最大负弯矩截面最不利位置加载X按边拱肋1/2 处最大正弯矩截面最不利位置加载20 80013800=10.400偏载偏载偏载偏载
15、偏载偏载455013800=10.400800800800800650600100G19C20G19CI8C16?图3静载试验控制截面布置图Fig.3 Layout of control section for static load test总重量为350 kN。车辆纵向位置按Midascivil软件计算得出的影响线进行布设,荷载试验效率n为:0.85 na=s(1+)式中:S.为试验荷载作用下效应计算值;S为计算荷载标准值产生的效应计算值;u为冲击系数,根据JTGD602015公路桥涵设计通用规范9中相应公式计算可得冲击系数为0.0 5。2)应变测点布置充分考虑桥梁结构受力特征,按照左右对
16、称、上下兼顾、重点突出的原则,在A-A、A -A 截面左右拱分别布置8 个测点;B-B、B-B 截面左右拱分别布置8 个测点;C-C、C -C 截面左右拱分别布置8 个测点;D-D、D -D 截面左右拱分别布置10 个测点;E-E截面左右拱分别布置10 个测点;全桥共布置156个应变测点。应变测点布置如图4所示。3)挠度测点布置在各荷载工况下,按照能反映结构最大变位及其变化规律的原则,选定9个控制截面布置挠度测点,如图5所示。280S.左8 号1.05。左1号左2 号左3号左8 号左1号左2 号左3号701800170b主拱肋拱脚截面测点布置图280左7 号右7 号左6 号右6 号左5号右5号
17、左4号右4号a)边拱肋截面测点布置图左7 号右7 号左6 号右6 号左5号。右5号左4号右4号70180070右8 号右1号右2 号右3号右8 号右1号右2 号R右3号市放技术192Journal of Municipal Technology180180左10 号左7 号左9号左8 号左1号左2 号左3号图4应变测点布置图(cm)Fig.4 Layout of strain measuring points280左侧拱肋a)边拱肋截面测点布置图320左侧拱脚b)主拱肋拱脚截面测点布置图180左侧拱肋c)主拱肋截面测点布置图注:挠度测点已用黑色箭头指出。图5挠度测点布置图(cm)Fig.5 L
18、ayout of deflection measuring points第41卷3.3试验结果分析及结构性能评价右7 号右10 号右8 号右9号左6 号右6 号左5号右5号左4号右4号c)主拱肋截面测点布置图右侧拱肋根据各控制截面的弯矩影响线确定静载试验的车辆布载位置,以截面弯矩等效原则进行试验加右1号载,各控制截面在最不利加载工况下荷载试验效率见表2。表2 各控制截面在最不利加载工况下荷载试验效率右2 号Tab.2 Load test efficiency of each control section under the右3号截面A-AB-BC-C280D-DE-ED-DC-CB-BA-A
19、从表2 可以看出,各控制截面在最不利加载工右侧拱肋况下荷载试验效率为0.98 8 1.0 32,满足规范要求范围0.8 5 1.0 5。3.3.1应变测试结果主拱肋各控制截面应变测试结果见表3,偏载应变实测值与计算值对比如图6 11所示。从表3可以看出,各控制截面测点应变校验系数为0.36 0.7 8,小于JTG/TJ212011公路桥梁承载能力检测评定规程10 规定的上限值1.0 5,说明主320拱肋各控制截面应变测试结果满足规范要求,应力右侧拱脚状态正常。卸载后,相对残余应变为0.90%19.33%,小于规范限值2 0%,说明主拱肋各控制截面应变均180基本恢复。从图6 11可以看出,主拱
20、肋各控制截面测点应变实测值均小于计算值,说明试验过程中结构处于弹性工作状态,试验结果可靠。同时,主拱肋跨中各测点在逐级加载情况下,各应变值基本呈线性增长,说明各控制截面弹性状态良好。3.3.2挠度测试结果主拱肋各控制截面挠度测试结果见表4。从表4可以看出,各控制截面测点度校验系数为0.47 0.7 9,小于JTG/TJ212011公路桥梁承载能力检测评定规程10 1规定的上限值1.0;相对残余变位最大值为16.6 7%,小于规范限值2 0%,因此mostunfavorableloading condition加载设计弯矩/工况(kNm)17107.28-6 324.39-249.88IV157
21、.08V227.75VI157.08VI-249.88VII-6 324.39X7 107.28试验弯矩/(kNm)7130.50-6344.10-257.90155.21232.20155.21-257.90-6 344.107130.50荷载试验效率1.0031.0031.0320.9881.0200.9881.0321.0031.003第8 期截面测点位置左侧C-C右侧左侧D-D右侧左侧E-E右侧左侧D-D右侧左侧C-C右侧15105(9-01)/车0-5-10-15-20-250123456 7 89测点编号a)左侧测点图6 C-C截面偏载应变实测值与计算值对比图Fig.6 Compa
22、rison of measured and calculated deflection strains of C-C section302010(9-01)/牵0-10-20-30-400可认为主拱肋各控制截面具有良好的刚度。另外,主拱肋各控制截面测点挠度实测值均小于计算值,因此在静载荷载作用下桥梁结构性能满足设计使用要求。龙佩恒等:大跨度中承式钢管混凝土拱桥荷载试验研究及其结构性能评价表3主拱肋各控制截面应变测试结果Tab.3 Strain test results of each control section of main arch rib加载工况VVVIVI24测点编号a)左侧测点图
23、7 D-D截面偏载应变实测值与计算值对比图Fig.7 Comparison of measured and calculated deflection strains of D-D section动载试验研究4.1自振特性测试在移动的车辆、人群、风力和地震等动力荷载作193应变实测值/(10-)应变计算值/(10-6)-7.74.9-21.013.0-31.420.4-69.038.0-19.118.1-33.029.0-62.352.5-87.067.0-19.717.8-33.026.0-57.141.9-94.064.0-19.815.6-33.029.0-66.251.1-87.067
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- 跨度 中承式 钢管 混凝土 拱桥 荷载 试验 研究 及其 结构 性能 评价
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