城市钢管混凝土系杆拱桥的荷载试验.pdf

2 0 1 0年第 1 期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 1 0期 文章编号： 1 6 7 1 7 6 1 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 3 7 0 7 城市钢管混凝土系杆拱桥 的荷载试验 黄新卫 ( 佛山市南海交通建设集团有限公司， 广东佛山5 2 8 0 0 0 ) 摘要： 以一座钢管混凝土系杆拱桥的荷载试验为依托， 在对该桥进行理论分析的基础上， 探讨了该桥与常规拱桥 的区别， 研究了该桥静动载试验的测试断面、 测点布设、 吊杆力的测试， 并将试验结果和理论计算值进行对比分 析。结果表明该桥承载能力满足要求， 整体工作性能良好 ， 其研究方法和成果可供相关技术人员参考。 关键词： 桥梁；系杆拱；荷载试验 ；吊杆力；承载能力 中图分类号： U 4 4 6 1 文献标识码： B O 概述 系杆拱桥是由拱 、 系杆 、 吊杆和桥面系梁板等 协同工作的组合结构体系，以系杆( 梁)承受拱脚 的水平推力为主要特征 ，是一种具有 良好发展前 景的大跨度桥梁形式。系杆拱桥型与其他 的桥型 比 较， 具有跨越能力大， 建筑高度小， 美观经济等 优点， 在高速铁路中都得到了应用。特别是当高 架线路跨越城市干道 、 高速公路 、 河 流等需要桥梁 跨度较大， 梁部结构建筑高度要求较小时， 采用 该桥型具有独特 的优势 。 目前 ， 中国已经建 有不 少该类桥梁， 一些学者也开始对该类桥梁进行专 门的理论研究。文献 1 以一座高速铁路大跨度 钢系杆拱桥为工程背景， 对结构体系内力和变形 同系杆与拱肋的刚度 比之 间的规律进行 了研究和 比较分析 ， 探讨 了相对较优 的系杆与拱肋 的刚度 比取值范围 文献 2 _ 3 专门针对系杆拱的动 力性质展开过分析。文献 4 对系杆拱桥的细部 尺寸进行了研究。文献 5 - 6 以具体桥梁为例 进行 了静动载试验工作 。本 文以一座城市钢管混 凝土系杆拱桥为工依托， 对该桥梁进行了荷载试 验的竣工验收， 其研究方法 和相关 结果不仅 可以 丰富该类桥梁的数据库资料， 而且还可供同类桥 梁的设计和试验参考。 l 桥梁概况 某城市郊区 5 0 m的下承式钢管混凝土系杆拱 桥， 其计算跨径为4 6 4 m， 矢高 1 1 6 m， 矢跨比 1 4， 拱轴线采用二次抛物线。拱肋为直径 9 0 0 mm X 1 6 m m圆形钢管( Q 3 4 5 ) ， 内填 c 5 0微膨胀混凝土 ， 拱肋 间设 3道一字钢管 ( 直径 6 0 0 mm1 2 mm) 横 撑 ， 纵梁为 2 1 0 m1 9 5 m 的箱型截面， C 5 0混凝土， 吊杆为7 6 1 m m平行钢丝。桥梁全宽 3 7 9 5 m， 分 左右两幅布置 。采用钻孔灌注桩基础。设计荷载 等级为城市 一 A级 ， 验算荷载为挂 一1 2 0 。地震设 防烈度为度。其总体布置如图 1 所示。 图 1 桥梁总体布置( 单位 ： e m) 2 理论计算分析 2 1 静力分析 采用空间杆 系建立 了有 限元分析模 型， 在计 算时 ， 作了以下基本假定 ： ( 1 ) 主拱肋 的活载横 向分配按杠杆原理法计 算 。 ( 2 ) 纵梁的活载横向分配按刚接板梁法计算。 ( 3 ) 桥面板简支于纵 、 横梁上。 ( 4 ) 钢 管 混凝 土 材料 性 质取 值按 照下 式确 定 ： EA =Es As+Ec Ac E1=Es I s十 Ec f c 其 中， c 、 ， c 为钢管 内混凝 土截面 的面积和惯 性矩 ， A s 、 厶为钢管截面的面积和惯性矩 ， 、 为 混凝土和钢的弹性模量。 全桥空间模型共划分单元 3 5 9个， 节点 1 3 2 个 。空间结构离散模型如图 2所示。 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1期 广东公路交通 总第 1 1 0期 图2 理论模型示意 2 2 动 力分析 2 2 1 自振特性分析 桥梁结构的自振特性是其动力性能分析的重 要参数 ， 包括 自振频率 、 振型及阻尼比等， 反映了桥 梁的刚度指标。多 自由度无阻尼 自由振动方程为： X ( t ) + K X ( t ) =0 ( 1 ) 式中的 为结构的质量矩阵； K 为结构的 刚度矩阵； ( t ) 和 X( t ) 分别为加速度和位移 向量。设 X ( t ) _ s in ( + 0 ) ， 代入式( 1 ) ， 整理得特征方程 ： I K 一 。 I =0 ( 2 ) 将各个单元的单元刚度矩阵和质量矩阵对号 入座分别组成总体刚度矩阵 K 和总体质量矩阵 并代人式( 2 ) ， 采用子空间迭代法求解， 其前 四阶理论频率及振型如图 3所示 。 ( b ) 二阶振型( =3 7 4 4 H z ) ( c ) 三阶振型( = 3 8 3 4 Hz ) ( d ) 四阶振型 ：4 8 1 4 H z ) 图 3 理论振型图 本桥拱梁 的刚度 比为 1 2 0 ， 属于刚性系杆刚 性拱 ， 由图可见， 该拱桥的一 阶振型为竖向对称振 型 ， 区别于传统拱桥的一 阶反对称振型。 2 2 2冲击系数分析 实测活载冲击系数 根据测点动挠度( 应变 ) 时间历程曲线按下式进行分析： 式 中： Js 在动力荷 载作用下该测点最大动 挠度( 应变) 值； Js 一相应的静载作用下该测点最大挠度( 应 变 ) 。 ( 3 )2 3 j 38- S 。 =1 2 ( s +S ) ( 4 ) S ta in 为与 相应的最小挠度( 应变) 值。 吊杆力测试分析 目 前， 有多种测量索力( 吊杆力) 的方法， 这里 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 l期 黄新卫城市钢管混凝土系杆拱桥的荷载试验 总第 1 1 0期 采用两端铰接拉索的索力计算公式进行 吊杆力 的 理论值计算l 8 ： ： 一 nZ ； 2 EI ( 1 ) n一 - = 一 一 一 工 ， 式 中 ： m 为单 位长 度 吊杆 的质 量 ( k g m) ； z 为吊杆的长度 m； 为吊杆的第 凡阶固有振动 频率 H z ； E 1 为吊杆的刚度 ( N m ) 。 3 静载试验 3 1 测试截面 根据拱肋及 系杆在活载作用 下 的弯矩 、 挠度 包络图， 选择拱脚 、 L 4拱肋 、 拱顶 截面为测试 截 面， 并根 据现场情况布 置测试 截 面 I I、 一 、 一， 如图 4所示 。 1 2 3 4 5 6 图4 测试截面示意( 单位： e m) 3 2 加载效率 静力试验荷载的效率系数 7 取值范围为 0 8 1 0 5 。这里 ： 7 =s ( S 6 ) ( 5 ) 式 中： 5 一试验荷载作用下检测部位变位或 力的计算值 ； Js 一设计标准活荷载作用下检测部位变 位或力的计算值； 一 设计取用的动力系数 。 在各效应的影响线进行加载可 以得到各截面 效应的理论值， 计算表明需要 6辆 3 0 t 的汽车， 其 加载效率如表 1 。 表 1 静载试验加载效率系数 注： 其 中挠度 以向 下为 正 ； 弯矩 以下部受拉、 上部受压 为正 ， 未计入 偏栽影响 。 3 3 测点布置 3 3 1 应 变测 点 所有测试截面的测点均采用金属栅应变片进 行测试 ， 主要测试 控制截面 的应变分布规律和受 力性能 ， 其 中， 每个测 试 截面 均布置 6个应 变测 点。各测试截面应力测点布置见图 5所示 。 8 ( 1 1 ) 外侧 1 3 ( 1 6 t 侧 1 4 ( 1 7 1 9 ( 1 2 ) 1 5 ( 1 8 ) b ) I I I I c )I 一 I 截 面 图5 拱肋截面应力测点布置及编号( 括号内为另一侧拱肋测点号) 3 3 2挠 度 测点 图6 挠度测点布置( 单位 ： e m) 拱肋变形采用水准仪进行观测。系杆挠度测 试采用机 电百分表进行测试 ， 挠度测点布置示意 如图6所示 。 3 4 试验工况及加载位置 静载试验共 分为 6种 工况。各工况 内容为 ： 工况一， 按 II 截面最不利弯矩位置加载， 横桥 向为中载； 工况二， 按 II 截面最不利弯矩位置 加载 ， 横桥 向为偏载 ； 工况三 ， 按 一截面最不 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年第 1 期 广东公路交通 总第 1 1 0 期 利挠度位置加载， 横桥向为中载； 工况四， 按 一 截面最不利挠度位置加载， 横桥向为偏载； 工况 五， 按 一截面最不利挠度位置加载 ， 横桥 向为 中载； 工况六， 按 一截面最不利挠度位置加 载 ， 横桥向为偏载。 各试验工况顺桥向加载示意如图7 所示。 由此可见， 由于系杆拱的负弯矩影响线与常 规无铰拱桥的不同， 系杆拱桥的拱脚加载工况与 其它无铰拱桥是不同的 。 3 5 结果分析 3 5 1 应 变 各个工况下相应控制截面应变计算值、 实测 值和校验系数见表2表 4 。表中以压应变为负， 拉应变为正。 ： l ， 图7 试验荷载顺桥向布置载示意( 单位： C m) 表 2 II 截面应变值比较 表 3 I I I I 截面应变值比较 4 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 期 黄新卫城市钢管混凝土系杆拱桥的荷载试验 总第 1 1 0期 表4 I 一I I I 截面应变值比较 由此可见 ， 各试验工况下应 变校验系数平均 值在3 9 一 9 6 之间， 说明桥跨结构均处于弹性 工作状态 ， 安全储备充足。 3 5 2 挠 度 比较 各个工况下控制点挠度值及校验系数见表 5 一 表 6 。 表5 L 4截面挠度实测值、 计算值比较 由此可见， 各试验工况下挠度校验系数平均 值在6 5 9 2 之间， 说明桥跨结构均处于弹性 工作状态， 其刚度满足设计要求。 4 动力试验 4 1 动态测点布置 为了有效地 测得结 构 的 自振特性 ， 将加速度 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1期 广东公路交通 总第 1 1 0期 传感器测点布置在 截面； 为了测试结构的冲 击系数， 将动挠度计布置在跨中的系杆位置。 4 2 自振特性试验 利用环境激励法 ， 拾取 L 4截面的加速度信号， 采用 F f Y r 变换将加速度时域信号转换为频域信号， 从而得到结构各阶实测频率， 其结果列于表 7 中。 表7 自振频率的计算值和实测值比较 由此可见， 实测频率较计算频率较大， 说明结 构整体动刚度较大。 4 3冲击系数试验 采用 两 辆 3 0 0 k N 载 重 车 分 别 以 3 0 k m h 、 4 0 k m h 、 5 0 k m h的速度匀速无障碍行车进行动载 试验 。在以上各工况下 由式( 3 )一 式 ( 4 ) 测得结构 的冲击系数如表 8所示。 表 8 主桥 冲击 系数 实测值及 理论 值比较 实测冲击系数最大值 0 1 5 5与理论计算值接 近， 反映桥梁整体工作状况良好。 5 吊杆力试验 利用动力法测得各吊杆的频率， 然后代入式 ( 5 ) 得恒载下各 吊杆力值 ( 表 9 ) 。 表9 恒载作用下吊杆力测试数据表 图8 恒载吊杆力分布图 由测试 结果可 知， 各 吊杆力除端头 附近的短 吊杆力稍大外， 其余吊杆力分布较为均匀。 4 2 6 结语 ( 1 ) 该系杆拱桥 的拱脚负弯矩加载工况与其 它无铰拱桥是不同的。 ( 2 ) 各静载试验工况下应变校验和挠度校验 系数在常见范 围之 内 ， 说 明桥跨结构处于 弹性工 作状态， 其刚度和承载能力满足设计要求， 且有一 定的安全储备。 ( 3 ) 本桥的基频实测值大于理论分析值， 实测 冲击系数接近于理论值， 说明结构动刚度较大， 整 体工作性能良 好。 ( 4 ) 本桥的恒载 吊杆力分布较均匀 ， 说明结构 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年第 1 期 黄新卫城市钢管混凝土系杆拱桥的荷载试验 总第 1 1 0 期 受力较合理。 ( 5 ) 本桥属于刚性系杆刚性拱 ， 其一阶振型为 竖向对称振型， 区别与传统的拱桥一阶反对称振型。 参考文献： 1 何赓馀， 李小珍 ， 王炎高速铁路系杆拱之系杆与 拱肋刚度比的探讨 J 四川建筑， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 5 ) ： 9 1 9 2 2 刘德军， 李小珍 ， 司秀勇 客运专线钢系杆拱桥 自 振特性及结构参数研究 J 铁道建筑， 2 0 0 7 ， ( 4 ) ： 1 3 3 肖海波， 赵澎溺， 俞亚南 下承式刚性系杆拱桥的 动力分析 J 中国市政工程 ， 2 0 0 4， ( 4 ) ： 2 4 2 5 4 张元海， 李乔 钢管混凝土系杆拱桥 中系梁和横 梁的设计计算方法研究 J 公路交通科技， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 3 ) ： 6 6- _ 69 5 王新定， 郭范波， 戴航 钢管混凝土系杆拱桥静荷 载试验研究 J 钢结构， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 6 ) ： 3 33 5 6 刘华波， 王红囡 钢管混凝土系杆拱桥动荷载试 验 J ， 华东公路 ， 2 0 0 5 ， ( 5 ) ： 4 5 4 9 7 钢管混 凝土结构设 计与施工规 程 C E C S 2 8 ： 9 0 s 北京 ： 中国计划出版社， 1 9 9 2 8 宋一凡 公路桥梁荷载试验与结构评定 M 北 京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 2 9 交通部科学研究所 大跨径混凝土桥梁试验方法 M 1 9 8 8 1 0 杨永清， 蒲黔辉， 夏招广 重庆长江二桥引道某 拱桥荷载试验 J 工程力学， 2 0 0 0， ( 增刊) ： 7 6 8 7 7 5 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 91 2 3 0 ) Lo a d t e s t of t i e d a r c h wi t h c o nc r e t e f fll e d s t e e l t ub ul a r i n t he ur ba n a r e a HUA NG Xi nwe i ( F o s h a n N a n h a i C o m m u n i c a t i o n s C o n s t r u c t i o n G r o u p C o ， L t d ， F o s h a n 5 2 8 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e l o a d t e s t o f a t i e d a r c h b ri d g e wi t h c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r i S s t u d i e d i n t h e p a p e r T h e d i f f e r e n c e o f t i e d a r c h b r i d g e a n d t h e c o n v e n t i o n a l a r c h b r i d g e i S d i s c u s s e d o n t h e b a s i s o f i t s t h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h e n t h e t e s t s e c t i o n，a r r a ng e me nt o f t h e me a s u r i n g p o i n t s a n d the t e s t i n g o f s us pe n d e r f o r c e a r e i n v e s t i g a t e d，f i n a l l y， t h e e x p e rime nt r e s u l t s a r e c o mpa r e d wi t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l a na l y s i s，wh i c h s ho w t h a t t h e b e a r i n g c a pa c i t y o f the b rid g e c a n me e t t h e s e r v i c e d e ma n d sa n d t h e b rid g e i s u n d e r a g o o d wo r k i n g c o n d i t i o ns Th e p r e s e n t e d me t h o d a n d i t s a c hi e v e me nt s c a n g i v e r e f e r e n c e t o t h e e n g i ne e r s Ke y wo r d s ：B ri d g e，t i e a r c h b ri d g e，l o a d t e s t ， f o r c e o f s u s p e n d e r ，b e a rin g c a p a c i t y 广东公路交通 投稿须知 1 本刊刊登的内容包括工程实践、 技术应用 、 理论研究 、 科学实验与标准规范 的研究 ，以及方 针、 政策、 管理等， 对技术水平领先、 有创造性、 适用及推广价值较高的文章优先刊登。 2 投寄本刊的稿件具体格式请参照本刊近期出版的 广东公路交通 杂志。 3 文稿须有“ 摘要” 和“ 关键词” 。“ 摘要” 为全文的浓缩， 以提供文章内容梗概为目的， 不加评 论和补充解释， 简明、 确切地记述文章重要 内容。“ 关键词” 为“ 摘要” 的浓缩 ， 可选 3 8个 。 4 参考文献要求标注主要撰写人、 文献题名、 文献标识码 、 出版地、 出版者、 出版年、 起止页码。 5 文章中科技术语和名词， 请用规定的通用词语。文章内容应符合国家标准和各种行业标准 要求， 应使用法定计量单位。公式、 图表应清晰准确， 符合国家标准要求。各级标题应明确、 清晰。 6 文章中摘编、 引用他人作品， 请遵守 著作权法 规定在参考文献中写出。 7 文章著作权， 除 著作权法 另有规定外， 属于作者。署名作者的人数和顺序由作者自定。 8 文章题目、 摘要及关键词、 作者的姓名和工作单位名称， 要求作者提供英文。 9 来稿请注明作者的真实姓名、 工作单位和详细地址、 邮编、 电话。来稿作者信息不详者， 稿件 一 律不采用 。 1 0 来稿一律文责自负。依照 中华人民共和国著作权法 的有关规定 ， 本刊可对来稿做文字 修改、 删节。凡有涉及原意的修改 ， 则提请作者考虑。请作者 自留底稿 ， 来稿请勿一稿多投 。本刊 来稿无论刊登与否恕不退稿。凡接到本刊收稿回执后3 个月内未收到稿件录用通知者， 请作者自行 处理。 1 1 投稿方式： 您可直接将稿件( 附电子版) 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