钢管混凝土劲性骨架对拱桥性能影响分析.pdf

2 0 1 3年第 4期 西南公路 X I NA NGO N GL U 钢管混凝土劲性骨架对拱桥性能影响分析 杨永清 文亚男 刘振宇 ( 西南交通大学土木工程学院 四川成都 6 1 0 0 3 1) 【 摘要 】以某中承式钢管混凝土劲性骨架拱桥为例 ，分析考虑劲性骨架作用对拱桥拱圈刚度及强度性 能的影 响，通过与静力荷载试验测试 结果的比较 验证 ，提 出该类桥 梁劲性 骨架作 用影响的 比重 ，其成果 可为 同类桥 梁结构借鉴参考 。 【 关键词 】劲性骨架；钢筋混凝土拱桥 ；静力荷载试验；刚度；强度 【 中图分类号 】 U 4 4 8 2 2 3 【 文献标识码 】A 钢管混凝土劲性骨架在桥梁施工过程 中，先用 无支架方法施工劲性骨架 ，然后围绕劲性骨架 内填 外 包混凝 土 ，把劲性 骨架作 为混凝 土 中的钢 筋 ，不 再拆卸收回。劲性骨架作为支架结构 ，在施工期问 承受构件的 自重和施工荷载。在桥梁工程应用 中， 劲性骨架钢筋混凝土拱桥由于其跨越能力大 、潜在 超载能力强 、施工方便 ，是一种极具发展前途的拱 桥结构形式。一般在设计过程中不考虑劲性骨架对截 面强度 、刚度的影响。本文 以实际桥梁为例 ，定量计 算劲性骨架对该类桥跨强度及刚度的影响比重。 1 桥梁概述 某桥为 1 6 0 m中承式劲性钢筋混凝土箱形肋拱 桥，拱圈由两片箱肋组成，截面为 3 4 x 2 m，在钢管 混凝 土劲性骨架上现浇混凝 土形成箱肋 ，每片劲性骨 架 上下 弦各 采用 2 2 9 9 1 2 m m钢 管混凝 土 ，竖杆 、 斜 杆 、平联 、横 向剪 刀撑 均 采 用 1 4 0 8 m m空 钢 管，劲性骨架弦杆中心高度为2 9 m，宽度为 1 5 m。 拱圈混凝 土强度 等级 为 C 4 0 ，横梁采用预应力钢筋混 凝土箱形截面梁，吊杆采用纵向平行钢丝束双吊杆体 系，索体采用6 1 7 、抗拉强度为 1 6 7 0 MP a 的热镀锌 钢丝 。桥 面 布置 为 1 2 m( 车行 道 ) + 2 x 1 5 m( 人 行道 ) = 1 5 m。桥梁设计荷载等级汽 一 超 2 O，挂 一 1 2 0 ，人群 3 5 k N m。 。 2 有限元模型的建立 采用空间有限元程序 MI DA S C i v i l 2 0 1 2 进行建 2 立模型A：拱圈为钢筋混凝土箱形截面，不考虑钢 管混凝土劲性骨架 。建立模型 B：采用双单元模 型，即拱圈两个节点间建立两个单元，分别赋予钢 筋混凝土截面和钢管截面 ，考虑钢管与混凝土的耦 合作用 。模型立面见图 1 ，设计拱圈截面见图2，模 型B拱圈截面见图3 。有限元建模时主要考虑结构的 刚度、质量和边界条件 ，使模型传力方式尽可能与 实际情况接 近。 图 1 模型立面 图 图 2设计拱 圈截 面图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨永清 ，文亚男 ，刘振宇 ：钢管混凝 土劲性骨架对拱桥 能影响分析 7 C 钢 管o 。 f I 十 酬 l o o 图 3模 型 B拱 圈 截 面 图 3 静力试验加载 3 1 静力试验 内容 (1)A A工况 ：拱肋拱脚附近截面 ( A A截 面 ) 最大负弯矩 加载； (2)B B工况 ：拱肋 L 4 附近截 面 (B B截 面 )最大正弯矩 加载 ； ( 3)C C_T况 ：拱肋 L 2 截面 ( C C截 面 )最 大正弯矩 A 加载 。 3 2 测试 内容及测点布置 (1) 试验截面的应力测试； ( 2)桥跨 L 4、L 2、3 L 4 处拱肋的竖向挠度 测试。 3 3试验加载方案 试验荷载采用载重车 ，各试验工况加载效率系 数见表 1 ，表中计算内力和试验内力取值来 自于模 型B。根据规范要求 ，并考虑本桥实际技术状况 ， 试验荷载效率系数介于 0 9 51 0 4 之问。具体加载 布置示意 图见 图4图 6 。 表 l 各试验跨 工况单根拱 肋的计算 内力 、 试验 内力及相应 的荷 载效率 系数 计算弯矩 试验 弯矩 效率 序号 加 载l 况 ( k N m、 ( k N m) 系数 拱脚附近截N( A A ) 最大 l - 8 8 4 1 4 4 - 8 3 8 5 4 7 0 9 5 负弯矩加载 2 拱肋L 4 附 近截 面f B B) 最 7 9 1 2 O 7 7 7 4 4 5 9 0 9 8 大正弯矩加载 3 6 1 6 5 4 4 6 3 8 6 5 1 1 0 4 拱 顶截面f C c ) 最大正弯 矩加载 图 5 B- B工况车辆加 载布置图 4 结果分析 4 1 拱圈挠度值分析 通过静力荷载测得在各工况下拱肋四分点处挠 度值，结果见表2，其中挠度向下为负 ，向上为正。 表2 中桥梁实测挠度值与模型A计算所得挠度值0 9 。 相 比，校验系数为0 4 70 8 3；实测挠度值与模型B计 算所得挠度值 相比，校验系数为0 6 00 9 3；表 明模型B的挠度计算值更接近桥梁实际情况。模型 B计算所得挠度值0 9 比模型A计算所得挠度值 C O 减 少 了 8 0 9 2 1 9 1 表 2 拱 圈挠度 值比较分析 表 测试 实测值 模型A 模型A 模型B 模型B 一 工况 计算值 校验系 计算值 校验系 l 。 l 位置 ( mm) 1 0 0 ( mm) 数 C O ( mm) 数 拱肋L 4 1 2 -2 O 一 1 9 5 8 0 6 2 一 l 5 9 0 O 7 7 1 8 7 8 A A 拱 肋L 2 2 8 O 3 8 3 O 7 3 3 5 0 0 _ 8 0 8 6 O 工况 拱肋 3 L 4 6 5 0 1 3 8 3 0 4 7 l 0 8 0 O 6 0 2 1 9 1 啦 拱肋L 4 一l 3 1 O 一 1 9 6 8 O 6 7 一l 7 3 0 0 7 6 1 2 O 8 铌 B B 工况 拱肋L 2 2 0 0 3 2 8 0 6 1 2 8 0 O 7 1 1 4 7 6 嚷 拱肋3 L 4 7 4 0 1 4 0 6 O 5 3 1 2 - 3 O O 6 0 1 2 5 l 拱肋L 4 2 7 0 3 6 1 0 7 5 3 _ 3 O 0 8 2 8 4 9 C C 丁况 拱肋L 2 - 9 7 5 一 l 1 8 6 O 8 2 1 0 5 0 0 9 3 1 1 4 9 啦 拱 肋3 L 4 2 8 0 3 _ 3 7 O 8 3 3 1 0 0 9 0 8 0 9 4 2 拱圈应力值分析 通过静力荷载测得在各工况下A、B、C 截面处 拱圈上下缘的应力值，结果见表3 ，其中应力受拉为 正，受压为负。可见 ，桥梁实测应力值与模型A计算 所得应力值 相比校验系数为0 6 30 9 0 ；实测应力 值与模型B计算所得应力值 相比校验系数为0 6 4 0 9 4；模型B计算所得应力值 比模型A计算所得应 力值 减少了1 0 5 1 0 4 1 ；可 ( 下转第1 3 页 ) ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 韩 冰 ，蒲黔辉 ，施洲 ：公路钢桥疲劳荷载谱调查研究 同时也应当加强对 WI M数据的整理工作 ，这样对典 型疲劳车辆的统计 、今后交通量的预测工作均有很 大的帮助与意义。 4 结论 (1)随着正交异性板钢桥结构 的普遍应用 ， 疲劳破坏问题也更加显著 ，公路疲劳荷载谱对疲劳 问题 的研究 具有重要意义 。 (2) 对 B S 5 4 0 0 、欧洲规范以及 A AS H T O L R F D 规范中的疲劳荷载模型进行了调查与总结 ，也是对我 国今后疲劳荷载谱的研究有重要的参考价值。 (3)我 国对疲 劳荷载谱 的研究工作 还不完 善 ，现行正式公路设计规范中还没有列出对疲劳荷 载谱 的规定。但我国桥梁学者已经对疲劳荷载谱研 究进行一定颇有价值的工作 ，也为今后疲劳荷载谱 的研究奠定 了基 础 。 参 考 文 献 1 钱冬生 关于正交异性桥面板的疲劳对英国在加固其塞文桥渡时所 作研究的简介 J _ 桥梁建设， 1 9 9 6 ， ( 2 ) ：8 1 3 2 Co n n o r RJ，F i s h e r J w ，Co n s i s t e n t Ap p r o a c h to Ca l c u l a t i n g S t r e s s e s f o r F a t i g u e De s ig n o f We l d e d Ri b 。 t o - We b Co n n e c t i o n s i n S t e e l Or t h o t r o p i c B r i d g e D e c k s J J o u rna l o f B r i d g e E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， l 1 ( 5 ) ：5 1 7 - 5 2 5 【 3 B ri t i s h S t a n d a r d I n s t i t u t i o n B S 5 4 0 0 P a r t 1 0 ：C o d e o f P r a c t i c e fo r F ig u e s L o n d o n ：Bri t is h S t a n d a r d I n s t i tut i o n 1 9 8 0 4 E u r o p e a n C o mmit t e e for S t a n d a r d i z a t i o n E N 1 9 9 1 - 2 ：2 0 0 2 E uro c o d e 1 ： Ac ti o n s o n S t r u c t ure s ，P a r t 2 ： T r a f fi c l o a d s o n b r i d g e s S B rus s e l s ：E u r o p e a n C o mmi t te e f o r S t a n d a r d i z a t io n ，2 0 0 2 5 Ame r i c an As s o c i a t i o no f S t a t eHig h wa y a n dT r a n s p o r ta ti o nOffic i a l s AAS H TO L F R D B r i d g e De s i g n s p e c mc a t i 0 n s Wa s h i n g t o n ，D C ：Am e r i c a n As s o c i a t i o n o f S tat e Hi g h wa y a n d T r a n s p o r t a t io n Offi c i a l s ，2 0 0 7 6 童乐为 ， 沈祖炎， 陈忠延 城市道路桥梁的疲劳荷载谱 土木工程学报 1 9 9 7 ， 3 0 (5 ) ：2 0 - 2 7 7 童乐为 正交异性钢桥面板的疲劳研究 D 同济大学博士论文， 1 9 9 5 8 】任伟平 焊接钢桥结构细节疲劳行为分析及寿命评估 D 成都： 西南交 通大学 ，2 0 0 8 ( 上接第3页) 见模型B与模型A的应力计算值相 差较小。 表 3 拱 圈应 力值 比较分析表 测试 实测应 模型A 模型A 模型B 模型B 一 工况 计算值 校验系 计算值 校验系 J J 位置 力( m m) 1 0 O ( mm) 数 ( mm) 数 A A截面 A A 上缘 1 8 1 2 8 5 O 6 3 2 8 2 0 6 4 一 1 O 5 工况 A A截面 - 2 0 5 - 3 2 4 O 6 3 - 3 2 0 0 6 4 一1 2 3 下缘 B B 截 面 一 1 7 4 - 2 4 5 0 7 l -2 2 4 O78 -8 5 7 B B 上缘 工况 B B 截 面 1 - 3 7 2 1 2 0 6 4 2 0 4 0 6 7 3 7 7 下缘 C C截面 一 1 7 3 - 2 21 O 7 8 一】 9 8 O， 8 7 - 1 0 41 C C 上缘 工况 C C 截 面 1 4 6 1 6 1 O 9 O 1 5 5 0 9 4 3 7 3 下缘 5 结论 (1)钢管混凝土劲性骨架对拱桥拱圈刚度有 较大 影 响 ，考 虑劲 性 骨架作 用 时 刚度可 提 高 8 0 9 21 91 ： ( 2)钢管混凝土劲性骨架劲性骨架对拱桥拱 圈强度影响较小，考虑劲性骨架作用时强度可提高 1 0 5 l 0 4 ： ( 3)在一般设计时 ，可只考虑劲性骨架的施 工支架作用 ，有利于提高桥梁结构的安全系数 ；对 桥梁结构进行承载能力计算时 ，劲性骨架的作用不 可忽略。 参 考 文 献 1 】赵晓斌 劲性骨架对钢筋混凝土拱桥极限承载力的影响 D 】 ， 重庆交通大 学硕士学位论文 ， 2 0 1 1 4 2 2 叶梅新， 刘东芳 大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥极限承载力分析【 J 1 公 路工程 ， 2 0 0 7 ( 3 2 ) ： 1 O 0 1 0 2 3 李华銮 特大跨钢管混凝土拱桥成桥荷载试验 J 土工基础 ， 2 0 1 1 2 ( 2 5 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m