钢管混凝土拱桥静载试验方法研究

2018-04-09湖北交投智能检测股份有限公司武汉430051

长江工程职业技术学院学报 2018年1期

　(湖北交投智能检测股份有限公司，武汉　430051)

钢管混凝土拱桥以其跨越性大、强度高、质量轻、抗疲劳性好、耐冲击等性能在我国西部地区兴建方兴未艾[1,2]。因钢管拱桥结构形式复杂且大多跨越峡谷、河流，对该类桥梁静载试验计算及现场实施提出了更高要求。为检验桥梁结构的承载能力及其工作状况是否符合设计标准或能否满足使用要求，检查桥梁结构的真实工作状况，为桥梁的交工、竣工验收提供重要依据。本文以某钢管混凝土拱桥为研究背景，依据相关规范对该桥进行有限元仿真计算和分析，研究钢管混凝土拱桥静载试验方法。

1　工程概况

某钢管混凝土拱桥计算跨径为268m，采用变截面悬链线无铰拱，计算矢高53.6m，矢跨比1/5，拱轴系数m=1.5。主拱肋为等宽变高度的空间桁架结构，拱脚截面高度9m，拱顶截面高度为5m。两片肋间距12.5m(中-中)，一片拱肋横向宽度4.5m。每片肋由上、下各两根φ1150×32、φ1150×25、内灌C55混凝土的钢管弦杆组成，上弦、下弦横向用φ550×16横联钢管连接，上弦、下弦之间用φ500×16(立柱处和拱脚铰附近)、φ400×16钢管作为腹杆，拱内剪力撑仅在竖腹杆处布置，采用φ219×8钢管；在拱脚处与铰相连的两斜腹杆及销轴钢管内灌混凝土。汽车荷载等级：公路-I级。桥梁立面图、拱顶与拱脚横截面图如图1～图3所示。

图1　主桥立面图(单位：mm)

图2　拱顶横截面图

图3　拱脚横截面图

2　静载试验

2.1　静载试验内容

2.1.1测试项目

静载试验主要对结构的刚度、强度、抗裂性能等进行测试[3]。

(1)应变测试

主拱(拱脚、L/4截面、3L/8截面、拱顶)内、外侧上弦杆最大拉力及内、外侧下弦杆最大压力控制截面应变测试；主拱(拱脚、L/4截面、3L/8截面、拱顶)内、外侧上弦杆最大压力及内、外侧下弦杆最大拉力控制截面应变测试；拱脚腹杆应变测试。

(2)挠度测试

主拱变形测试及桥面挠度测试。

(3)裂缝观测

各主要截面和部位的裂缝观测。

2.1.2测试断面及工况

根据结构分析结果，结合试验桥梁的受力特点，静载试验共布置8个桥面挠度测试截面、8个主拱变形测试截面及4个应力测试截面，如图4和图5所示。试验工况见表1。

图4　应力测试截面总体布置示意图(立面)

图5　桥面挠度及主拱挠度测试截面示意图

表1　静载试验各工况及测试内容

2.1.3测点布置

(1)挠度测点布置

该桥静载试验共布置8个桥面挠度测试截面、8个主拱变形测试断面。

每个桥面挠度测试截面横向布置4个测点，分别位于两幅桥梁的防撞栏杆边缘。每个主拱变形测试断面横向布置2个测点，分别位于左、右幅外侧上弦杆处。如图6至图8所示。主拱挠度利用全站仪进行测试，桥面挠度采用精密水准仪进行测。

(2)应变测点布置

静载试验弦杆共布置4个应力测试截面。

A截面距离拱座表面1.50m，B截面净距5#、6#立柱之间的横联0.50m(偏向于6#立柱)，C截面净距8#立柱0.50m(偏向于7#立柱)，D截面位于跨中，具体如图9与图10所示。

图6　主拱挠度测点平面布置示意图

图7　桥面挠度测点平面布置示意图

图8　桥面挠度测点横向布置示意图

图9　A截面静载试验拱肋应变测点布置图

图10　B截面静载试验拱肋应变测点布置图(C、D截面应变测点与B截面布设位置一致)

静载试验腹杆布置于拱脚处与铰相连的斜腹杆及拱脚附近竖腹杆处，布置于左幅外侧腹杆。如图11所示。

图11　拱脚附近静载试验腹杆应变测点布置图

2.1.4静载试验效率

理论分析采用大型专业有限元软件MIDAS/CIVIL，主拱的立柱、弦杆、横向联系、桥面板均以梁单元模拟。拱脚处约束为固定约束，桥面板支座考虑橡胶支座的竖向抗压刚度和剪切刚度来模拟。共设置2 446个节点，3 012个单元，计算模型如图12所示。

图12　计算模型图

根据实际加载车辆重量，计算各工况下的试验荷载及荷载效率，以工况1为例，具体如表 2所示。根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/TJ21-01-2015)关于交(竣)工验收荷载试验效率规定(宜介于0.85～0.95之间)，工况1荷载试验效率满足规范要求[4]。

表2　荷载试验效率系数表

2.1.5静载试验结果分析

以工况一为例进行静载试验结果分析：

(1)挠度测试结果

工况1作用下，桥面的实测挠度值、相对残余挠度值见表3。

表3　工况1各桥面挠度测点挠度(单位：mm)

工况1满载作用下桥面板各挠度测点实测弹性挠度曲线见图13～图16。

由表3可知，工况1满载作用下，桥面板最大挠度测点LZ1-5实测弹性挠度值为16.00 mm，小于规范限值(268000/1000=268mm)，满载时测点挠度校验系数介于0.80～0.96之间，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)相关规定要求。分析结果表明，工况1满载作用下，结构整体刚度大于理论刚度，满足设计要求。

由图13～图16可知，满载作用下主拱弹性挠度实测曲线与计算变形曲线的变化规律基本一致，说明结构实际刚度与理论刚度较吻合。

工况1卸载后各挠度测点相对残余挠度介于-9.5%～9.9%之间，最大挠度值测点LZ1-5相对残余挠度为3.7%，小于《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定的20%。说明结构处于良好的弹性工作状态。

图13　工况1右幅桥面外侧实测挠度曲线

图14　工况1右幅桥面内侧实测挠度曲线

图15　工况1左幅桥面内侧实测挠度曲线

图16　工况1左幅桥面外侧实测挠度曲线

(2)主拱变形测试结果

工况1作用下，主拱实测变形值、相对残余变形值见表4。

表4　工况1各主拱变形测点变形值(单位：mm)

工况1满载作用下主拱各变形测点实测弹性变形曲线见图17、图18。

图17　工况1右幅主拱外侧实测变形曲线

图18　况1左幅主拱外侧实测变形曲线

由表4可知，工况1满载作用下，主拱最大变形测点SXG1-5实测弹性变形值为15.9 mm，小于规范限值(268 000/1 000=268.00 mm)，满载时测点变形校验系数介于0.75～0.94之间，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)相关规定要求。分析结果表明，工况1满载作用下，结构整体刚度大于理论刚度，满足设计要求。由图17、图18可知，满载作用下主拱弹性变形实测曲线与计算变形曲线的变化规律基本一致，说明结构实际刚度吻合理论刚度。

工况1卸载后各变形测点相对残余变形介于-9.6%～9.3%之间，最大变形测点SXG1-5相对残余变形为3.6%，小于《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定的20%。说明结构处于良好的弹性工作状态[4]。

(3)应变

工况1作用下，拱脚截面(A截面)在试验荷载作用下的实测应变值、相对残余应变值见表5。

表5　A截面各测点应变(单位：με)

说明：拉应变为正，压应变为负，下同。

图19　上弦杆顶部满载应变横向对比图

图20　上弦杆中部满载应变横向对比图

图21　下弦杆顶部满载应变横向对比图

图22　下弦杆底部满载应变横向对比图

由表5可知，满载时A截面测点应变校验系数介于0.77～0.91之间，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)相关规定要求。分析结果表明A截面的实际强度大于理论强度，符合设计要求。卸载后A截面主要应变测点的相对残余应变介于-6.0%～9.8%之间，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定的20%。说明结构处于良好的弹性工作状态。

由图19～图22可知，左右幅上、下弦杆测点的实测应变分布与理论应变分布曲线变化规律一致，表明结构的横向联系及整体工作性能与设计较接近。

(4)异常情况观测

加载前后，对A截面及其附近进行观测，结构均未发生异响、焊缝开裂、主要构件变形及连接异常等情况。