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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:1003—1995(2009)12—0026—05
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:2009.06—02;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
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建筑,2006(5):23—24.
(责任审编白敏华)
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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5—19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2×41'1-1行车道+2×1.5m人行道+2×
1.5m拉索锚固区+2×2.0m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
◆一3三,4——●r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】155
28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+)s]≤1.10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
(A—A),主拱左拱脚截面(B—B)及主拱跨中截面(D—D).
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(A—A),主拱跨中截面(DD)及
主拱左拱脚截面(B—B)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0.75～1.06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
于一10.50～13.56MPa.拱截面顶底板的最大应力介
于一11.83～10.77MPa;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0.68～0.99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
05O
0.45
040
O35
O-3O
茗o25
O.2O
Ol5
O.1O
O.O5
0
频率/Hz
(a)竖向
5.O75
率对应阻尼介于0.006～0.014.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1.04～1.20之间;实测最
大跳车冲击系数为1.92,其余介于1.38～1.87之间.
拱截面实测最大行车冲击系数为1.47,其余介于1.22
～
1.37之间;实测最大跳车冲击系数为3.80,其余介
于1.47～3.52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10～15
km/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).
0.6
0.5
O.4
丑
趔0.3
1粤
0.2
O.1
O
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,2009
75
50
喜2.5
×
叔0
翅
.
25
.
5.O
2l
15
lO
时间(时:分:秒)
(a)20km/h行车
2
×
时间(时:分:秒)
(b)25km,h跳车
图8B—B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0.75～1.06
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
于一10.50～13.56MPa.拱截面顶底板的最大应力实
测值介于一l1.83～10.77MPa,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1.04～1.37之间;跳车冲击系数介于1.38～
3.80.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
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