曲线梁—斜跨拱组合钢桥结构分析与试验研究.docx

曲线梁斜跨拱组合钢桥结构分析与试验研究26铁道建筑RailwayEngineeringDecember,2009文章编号:10031995(2009)12002605曲线梁一斜跨拱组合钢桥结构分析与试验研究施洲,蒲黔辉,勾红叶(西南交通大学土木工程学院,成都610031)摘要:针对某50m跨曲线钢箱梁与60m跨斜跨钢箱拱组合桥进行空间受力分析,并进行成桥的静载与动载试验.采用ANSYS程序建立全桥的空间有限元模型,并配合自编程序分析组合结构在设计荷载下的受力特征及拱,梁承载状况.根据桥跨结构的受力特性,对钢箱梁和钢箱拱的最不利弯矩截面进行静载试验,测试梁与拱的应力及位移,并进行拉索索力测试.静载试验结果表明,桥跨结构实际受力状况与计算模式相符较好;静载下钢箱梁,拱的实测应力相对较低;静载下几何位移基本小于计算值,说明实际桥跨结构安全储备很大.同时采用脉动法进行自振特性测试,并进行行车,跳车激振试验,动力试验表明,桥跨结构动力特性良好.关键词:拱桥组合桥结构分析荷载试验中图分类号:U448.36文献标识码:A收稿日期:2009.0602;修回日期:2009.09.09基金项目:西南交通大学青年教师科研起步项目f20O8QO84);高等学校博士点专项基金新教师基金(200806131028).作者简介:施洲(1979一),男,江苏滨海人,讲师,博士.现代的桥梁已不纯粹以满足功能为目的,桥梁巨大的跨度,强烈的形体表现力,超凡的尺度均对城市或大地景观产生影响.在公园和景区,桥梁不仅仅是跨越障碍的建筑物,更是景观桥,其美学要求已提升至新的层次.当然,桥梁美学与桥梁技术不可分割,它垛与梁底有不大于5mm的空隙.3.2.3安设滑道,滚轴和托盘封锁点前,所有千斤顶及倒链全部达到工作状态.给点后同时顶起三孔梁体的一端,然后顶起另一端,拆除支座.在顶梁过程中搭设安全枕木垛以防不测.千斤顶顶起梁体并支撑牢固后,拆除铸钢支座;在梁体支座位置穿入滑道,滚轴和托盘,使其方向和梁的横移方向一致.3.2.4横移滑道安装完成后,再顶升梁体,然后千斤顶回油,使梁体置于托盘上.梁体落稳后,进行横移.移梁时,在既有梁端拉细绳检查梁缝变化情况,及时向移梁负责人汇报.移梁时相互呼应,根据刻度尺匀速移动,首先横移每孔梁最小横移量(0.252m)的一半,检查梁缝及梁体下滚轴,滑道等状况,然后两端按照剩余的横移量逐等份地移至到位.3.2.5安设橡胶支座及防振角钢桥梁横移到位后,利用千斤顶将梁体顶起,并将梁体垫稳.撤除滑道和滚轴,安装橡胶支座.防振角钢可按测量好的位置进行施工.3.2.6恢复桥上线路.放行列车橡胶支座安设好后,在封锁点内抓紧上砟,起道,捣固,检查线路轨距,水平和方向,以尽快达到列车放行条件,同时用木枕覆盖移梁造成的上,下行线路间空挡,用道钉固定位置以防滑动.4结语通过该工程的顺利实施,利用千斤顶,滑道,滚轴,托盘和倒链在墩台顶面上组成滑移系统,在封锁点内进行梁体整体横移这一施工技术是可靠的,且具有简便,经济,快速等优点,能够确保铁路运营安全,特别实用于铁路既有桥梁的改建和横移,具有广泛的推广利用价值.参考文献1付永乐.通惠河桥钢筋梁顶推施工技术J.铁道建筑,2007(3):810.2赵业亭,王振军,王永刚.自锁爬行顶推架设大跨度钢梁技术J.铁道建筑,2006(3):2224.3赵土恒.箱形立交桥顶进施工过程中的高程控制J.铁道建筑,2006(5):2324.(责任审编白敏华)2009年第l2期曲线梁一斜跨拱组合钢桥结构分析与试验研究27谋求工程方面和精神方面的统一.它的基本观点是:充分满足工程规范,而外观形貌尽量完美并与环境协调.正如德国铁道工程师鲁克维德所说:要设计美的桥梁,就必须使科学与艺术密切结合.桥梁美学中的所谓桥梁美,应当理解为技术美,是技术与美的统一,它产生于桥梁设计过程之中.桥梁的技术美包括形式美,功能美以及与环境因素协调美三个要素.拱桥以其彩虹般的优美线形历来得到人们的喜爱,因此拱桥也是最为常见的景观桥型之一.为美观且配合当地的环境,并避免千篇一律,景观拱桥通常采用不同的结构布置形式,甚至拱,梁组合桥并以特定布置的吊索来连接.不同于常规相对复杂的桥梁结构,甚至空间结构布置形式,增大了结构受力,传力的复杂性,即增强了桥梁的工程技术难度.因此,为保证桥梁的安全使用,加强桥梁结构分析计算,进行实桥的现场试验验证非常必要引.1工程简介厦门园博园8号景观桥主桥(见图1)为50m跨度曲线钢箱梁简支梁,60rn跨度钢箱拱斜跨其上,两者通过空间分布的吊杆连接的组合桥.钢主梁位于半径为200m的平曲线内,为带挑臂钢箱梁,梁高2.2m,箱梁全宽18m,其中封闭箱梁宽14m.箱梁两侧挑臂各宽2.0m,为人行道.挑臂上设置钢化玻璃人行道板.主拱跨径为60m,矢高30m,矢跨比1/2.主拱沿拱轴线采用钢箱等截面,拱脚至拱顶采用边长1.5m矩形截面.吊杆采用519平行钢丝柔性吊杆,吊杆在拱上间距为1.2m,在梁上间距为2.5m,全桥共19对38根吊索.桥面为2411-1行车道+21.5m人行道+21.5m拉索锚固区+22.0m人行道.桥梁荷载等级为:人群荷载,城一B荷载.2梁拱组合桥的空间有限元模型与分析该景观桥为复杂的空间曲线梁,斜交拱组合结构,其中吊杆为复杂的空间斜拉体系.为真实合理模拟该桥的受力特性,遂采用有限元程序ANSYS建立空间有限元模型进行计算分析.桥梁的计算模型见图2.计言Z静-_/2-o一左拱脚+L/4-.A-3L/4一右拱脚图I厦门园博园8号景观桥照片算分析中先以ANSYS分析梁跨中,左拱脚,拱L/4,拱L/2,拱3L/4,右拱脚等控制截面的轴力弯矩影响线,如图3图4.从计算所得影响线可见,梁的受力基本同于普通简支梁,而特殊的吊杆布置使得拱结构的影响线类似抛物线状,在梁的跨中加载时拱各截面受力均为最不利工况.在活载作用下,拱脚与跨中截面为正弯矩,L/4,3L/4处为负弯矩.根据所计算影响线,再采用自编程序计算相应截面在设计荷载等级下受力状况,根据分析结果可知,曲线主梁在斜跨拱组合受力下,梁,拱受扭并不明显.阜互静图2空间有限元模型立面图八/.lo203O405桥轴向距离,m图3主梁跨中(A截面)影响线3梁拱组合桥的荷载试验3.1静载试验与测点布置根据桥梁结构的计算分析结果,选取梁跨中截面,+一工,2一左拱脯-L/4一一3三,4r一右拱脚桥轴向距离/m桥轴向距离,m(a)弯矩(b)轴力图4主拱各截面弯矩,轴力影响线埘埘埘埘.州EEEE【i舰蜘脏脏岫2】15528铁道建筑December,2009拱包括拱脚截面的四分跨截面作为荷载试验截面.为加载方便,采用单车重280kN的载重车辆来加载,根据城一B等级荷载及人群荷载计算各试验截面的设计弯矩效应,并进行试验荷载设计.根据计算分析结果可知,由于该桥结构布置的特殊性,在主梁跨中截面布置一个试验工况即可使得所有试验截面达到荷载试验效率系数0.80叩:s/(1+)s1.10的要求,各试验截面下的试验效率系数见表1.表1荷载试验加载效率系数表静载试验的挠度测点布置中,分别在主梁的L/4,L/2,3L/4截面各2个测点,主拱L/4,L/2,3L/4处各布置1个测点.应力测点:主梁A_A截面应力测点布置如图5中三角形所示.拱脚截面应力测点布置于拱箱外部,见图6,拱上其它断面测点布置于拱箱的内部,测点位置尺寸同拱脚截面.图5,图6中,实心三角表示动应力测点.动应力测点布置于主梁跨中试验截面(AA),主拱左拱脚截面(BB)及主拱跨中截面(DD).静载工况下测试四分跨附加的共3对6根吊杆的索力增量.应力测试采用在钢箱梁上粘贴120Q箔式应变片进行测试,温度补偿采用单独的钢块上粘贴应变片实现,每一测试截面设置1个补偿点.挠度测试采用百分表实现.索力测量采用振动法测试.图5主梁断面A-A应力测点布置(单位:cm)3.2动力试验内容与方法采用脉动法进行桥梁结构的自振特性测试,自振测点布置于桥面中心轴上,沿桥轴向均匀布置5个测点(含两端支承处测点);另外,在拱圈L/4,L/2,3L/4处布置自振测点.每个测点分别布置竖向,横向两个测点.试验中由计算机测记桥跨结构微幅振动加速图6拱脚断面测点布置(单位:cm)度,直接使用专用软件进行频域和时域处理分析等相关处理,得出桥跨结构的自振频率,振型及阻尼比.为检验桥梁结构在通行车辆作用下的动力响应,针对主梁跨中试验截面(AA),主拱跨中截面(DD)及主拱左拱脚截面(BB)截面进行无障碍行车与有障碍行车即跳车试验.无障碍行车是在桥面无障碍情况下,用一辆280kN载重汽车以10,20,30,40km/h的速度往返通过桥跨结构,测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动载反应.跳车试验,测试与无障碍行车试验基本相同,不同的是后者在主梁跨中处置设置障碍物(其横截面为三角形,底宽30cm,高7.5cm)模拟桥面铺装局部损伤状态,以测定桥跨结构在不良桥面状态下运行车辆荷载的动载反应,跳车时的行车速度为5,10,15,20,25,30km/h.4静载试验结果与分析试验荷载下实测主梁挠度见表2,表中挠度值向上为正,向下为负.从表2可看出,实测挠度校验系数介于0.751.06之间,实测挠度值与计算挠度值一致性较好.拱的最大挠度为向下4.0112111,梁的最大挠度为向下15.4mm,相对于60m跨度的拱,50m跨度的梁而言,结构变形较小,说明桥跨结构具有足够的刚度.表2挠度实测值及与计算值比较试验荷载下主梁,拱截面顶板,底板测点正应力实测值与计算值的比较见表3.其中应力数据正值表示2009年第l2期曲线梁一斜跨拱组合钢桥结构分析与试验研究29受拉,负值表示受压.主梁截面顶底板的最大应力介于一10.5013.56MPa.拱截面顶底板的最大应力介于一11.8310.77MPa;从箱梁应力的实测值及其与计算值对比可见,两者相符良好,卸载后应力回零良好,测点的应力结构校验系数介于0.680.99之间.梁,拱的荷载应力水平不高.总体应力测试结果表明,桥梁结构具有足够的强度并具有较大的安全储备.表3应力实测值及与计算值比较试验荷载下索力增量可知,跨中索力增量为26.24kN,29.00kN,结构校验系数为0.88,0.92,非跨中索实测索力增量明显小于计算索力增量,表明实际L/4,3L/4处索力传递与理论计算存在一定差异.5动力试验结果与分析自振特性计算采用ANSYS程序计算,并与脉动法实测自振特性进行对比,见表4.实测自振频率对应的阻尼比利用半功率法计算.桥梁实测频谱图见图7.拱实测横向,竖向基频分别为1.087,2.502Hz.主梁实测竖向基频分别为2.095Hz.实测前5阶自振频05O0.45040O35O-3O茗o25O.2OOl5O.1OO.O50频率/Hz(a)竖向5.O75率对应阻尼介于0.0060.014.实测自振阻尼较小.桥跨结构实测自振频率与计算频率符合较好且实测值略大,表明桥跨结构具有足够的刚度.表4桥跨结构实测自振频率及与计算频率的比较在无障碍行车,跳车试验中,测试梁跨中,拱脚,拱跨中截面动应力时程响应,实测行车与跳车下主梁应变时程曲线如图8.行车与跳车激振试验的动力系数结果见表5,激振结果表明,梁跨中截面(A.A截面)的实测最大行车冲击系数为1.29,其余介于1.041.20之间;实测最大跳车冲击系数为1.92,其余介于1.381.87之间.拱截面实测最大行车冲击系数为1.47,其余介于1.221.37之间;实测最大跳车冲击系数为3.80,其余介于1.473.52之间.无障碍行车时动力系数呈现随速度增加而先增加后降低的总体趋势,在20km/h时达到峰值.从实测行车冲击系数可见,其量值相对较大,其原因在于单车下结构的应变量值相对较小,使得车辆的冲击作用相对较大,客观存在的测试误差对实测的动力系数有一定的放大作用.有障碍行车时,动力系数呈现随速度增加而降低的总体趋势,在1015km/h时达到峰值.从实测跳车下结构的冲击系数可见,其量值相对大,一方面单车下结构的应变量值相对较小,且测试误差使得车辆的冲击作用相对较大,另一方面也说明当桥面受损时显着增大行车的冲击作用(见图9).0.60.5O.4丑趔0.31粤0.2O.1O图7桥面实测竖向,横向振动频谱图频率/Hz(b)横向30铁道建筑December,20097550喜2.5叔0翅.25.5.O2l15lO时间(时:分:秒)(a)20km/h行车2时间(时:分:秒)(b)25km,h跳车图8BB截面20km/h行车和25km/h跳车时程曲线+梁+拱脚士拱顶/.,:=:斗一=/.一/OlO2O3O4050行车速度,(km/11)-R+粱l-拱脚士拱顶(a)行车(b)跳车图9行车,跳车动力系数与车速关系曲线表5车辆激振下动力系数(1+)6结论由ANSYS空间分析结果可知组合桥的梁结构受力基本同于普通简支梁,拱四分跨的5个截面的影响线类似抛物线状,在梁的跨中加载时拱各截面受力均为最不利.根据自编程序计算相应截面在设计荷载等级下受力状况,分析结果可知,曲线主梁在斜跨拱组合受力下,梁,拱受扭效应并不明显.试验荷载下实测挠度校验系数介于0.751.06之间,实测挠度值与计算挠度值一致性较好.拱的最大挠度为向下4.0mm,梁的最大挠度为向下15.4mm,结构变形相对较小.说明桥跨结构具有足够的刚度.试验荷载下主梁截面顶底板的最大应力实测值介于一10.5013.56MPa.拱截面顶底板的最大应力实测值介于一l1.8310.77MPa,与计算值相符良好,应力结构校验系数介于0.680.99之间.表明梁,拱的荷载应力水平不高,结构具有足够的强度并具有较大的安全储备.拱实测横向,竖向基频分别为1.087,2.502Hz.主梁实测竖向基频分别为2.095Hz.实测自振阻尼较小.桥跨结构实测自振频率与计算频率符合较好且实测值略大,表明了桥跨结构具有足够的刚度.单辆行车下梁,拱实测最大冲击系数为1.47,其余介于1.041.37之间;跳车冲击系数介于1.383.80.从实测冲击系数可见,其量值相对较大,其原因在于单车下结构的应变量值相对较小以及存在的测试误差使得车辆的冲击作用相对较大.其次,当桥面受损时将显着增大行车的冲击作用.参考文献1朱曲平,曾德荣,王雷,等.桥梁美学设计及其进展J.公路交通技术,2006(4):7578.2施洲,蒲黔辉,夏招广.犍为岷江大桥换索工程前后检测及荷载试验比较与分析J.公路,2O07(6):7-11.3施洲,蒲黔辉,薛爱.钢筋混凝土拱桥加固后静动力性能评定分析J.四川建筑科学研究,2008,34(3):7982.4施洲,蒲黔辉,高玉峰.单斜塔混合梁斜拉桥计算分析与试验J.华中科技大学(城市科学版),2008,25(4):180.184.5冒琴.梁拱组合桥吊杆成桥索力的确定J.中外公路,2007,27(3):102104.6吕建根,王荣辉.斜拉拱组合桥与普通拱桥受力性能对比J.公路,2008(8):5.9.(责任审编白敏华)