中承式鋼管混凝土系桿拱橋主橋主跨拱腳模型試驗

□文/馬德才 楊晨霞 趙文宏

1 試驗目的

瀛洲大橋長1 160 m，主橋中跨為跨徑120 m帶懸臂剛架的中承式鋼管混凝土系桿拱橋，拱圈由1根主拱肋和2根副拱肋組成。主跨采用飛鳥式配水平柔性系桿索，鋼筋混凝土拱腳與縱梁、拱肋、橫梁、墩固結，拱腳是一個不規則的實體構造，結構受力復雜。由于3根鋼管不同角度集中在一起與鋼筋混凝土拱腳相接，拱肋與拱腳部位的連接可靠與否，決定了拱腳設計成敗，因此對拱腳、拱肋、主梁的結合處進行空間實體模型加載試驗并進行數值計算分析，了解結構受力情況與應力分布十分必要。

2 試驗對象

以鋼管拱與拱座結合部和拱梁結合部的結構區域為研究對象。

3 試驗內容

1）對鋼管拱與拱座結合部和拱梁結合部初步分析，計算分析采用有限元程序進行。

2）設計制作1∶5的比例模型。采用與原型相同的材料和工藝制作。

3）設計制作加載反力架。通過反力架加載使模型各部位的受力情況和邊界條件與原型相似。

4）進行應力和變形測點的布置。測點主要布置在拱肋、主梁、拱座和墩的結合部。

5）制作壓力荷載傳感器。使用傳感器對各千斤頂荷載進行控制，保證千斤頂荷載滿足要求。傳感器在使用前必須進行標定。

6）進行靜力荷載試驗。使用日本產的UCAM-70A和UCAM-1A電阻式應變儀對模型應力和變形測點進行測量，研究結合部的傳力途徑和應力分布并觀察模型結構的裂縫產生和發展情況。

圖1 SOLID95 單元基本形式

7）繼續增加荷載，直至結構達到極限承載力或超過試驗控制荷載2.0倍，測量模型的應力分布，觀察模型結構的裂縫產生和發展以及破壞形態。

8）根據試驗模型構造建立有限元模型，計算模型的應力應變分布。通過計算與試驗結果的對比，對實橋結合部工作性能進行綜合分析，對結構提出優化建議。

4 模型仿真計算

采用有限元分析軟件計算在各加載工況下，模型的應力及位移分布。

順橋向為X軸，豎向為Y軸，橫橋向為Z軸。鋼板采用殼單元模擬，混凝土采用塊體單元模擬。由于模型結構非常復雜，為更好地模擬細部結構，又使單元形狀和數量滿足計算要求，對混凝土部分同時使用SOLID95單元和SOLID92單元混合。

SOLID95單元是20節點的塊體單元，其基本形式見圖1。

SOLID92單元是10節點的塊體單元，其基本形式見圖2。

圖2 SOLID92單元基本形式

將SOLID95單元中的四面體單元轉換成SOLID92單元，可減少節點數目，縮小剛度矩陣，節約計算時間。

鋼材型號Q345qD，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3

混凝土強度等級為C50，彈性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比μ=0.167，混凝土彈性模量為實測結果。

5 結構試驗流程

結構試驗流程見圖3。

圖3 試驗流程

6 模型設計和制造

6.1 整體設計

模型設計的一般原則是能夠反映實際結構的主要力學特征，忽略次要因素。試件的尺寸一般根據研究目的實現效果、試驗室的設備及場地大小決定。由于模型不可能做成與實際結構完全一樣，所以其應力分布與實際結構就存在一定的差異。但設計模型時對這種誤差的控制應遵循如下原則：

1）該差異力爭控制在±5%范圍內；

2）模型的應力應該與實際結構應力等效；

3）模型的邊界條件、力和位移均應與原型相似。

試驗模型各物理量與原型各物理量的相似關系見表1。

表1 各物理量的相似常數

模型取三角形混凝土拱肋和一小截主拱肋、副拱肋，這樣在模型主梁兩端均只需施加剪力，有利于模型邊界條件的模擬。縮尺模型高度4.6 m，長度9.3 m，寬度6.2 m。

6.2 模型試驗場地與反力架設計

在試驗室設置地錨系統，經過對比，選擇其中承載力較大的一處地錨系統進行試驗。

反力架在頂端受到拱肋荷載的反力作用，中部受到體外索的反力作用，所以反力架受到的荷載較大，是模型試驗的一個關鍵。通過計算，反力架的主要構件為地錨縱梁、立柱、斜撐、支座組成，另外還有為張拉設置的橫梁等結構。連接方式采用焊接。

6.3 預應力筋的布置

在模型上混凝土主梁的板厚很小，為了方便，在模型中采用無粘結預應力索模擬，按照相似比縮小合并。

系桿采用體外預應力索，37φ15.24mm鋼絞線，其面積為5 180mm2，模型所用鋼絞線按1∶25縮小面積應為207.2mm2，實際應用中可采用2φ12.7mm鋼絞線，截面面積為197.4mm2，與模型比例接近。

6.4 模型加載方式

實橋拱座結合部、拱梁結合部的受力特點,主拱肋采用1臺350 t千斤頂加載，副拱肋采用2臺150 t千斤頂加載。千斤頂的荷載采用壓力傳感器進行控制。壓力傳感器在使用前進行標定。

通過反力架提拱模型荷載的反力。在反力架外側張拉體外索模擬系桿力；主梁端的豎向荷載通過千斤頂豎向加載。

在混凝土臺座端預埋精軋螺紋鋼，通過張拉精軋螺紋鋼對模型這端施加豎向力，模擬由掛孔傳遞過來的豎向荷載。

模型的恒載補償可在模型上堆載來施加。堆載采用砂袋和鐵塊進行施加。

根據相似原理，當原型材料的彈性模量和模型的彈性模量相等時，模型材料的密度和原型材料的密度應與相似常數成反比。一般條件下，該條件無法滿足，常采用在模型結構上附加質量配重來解決。

6.5 模型混凝土試件的檢測結果

澆筑模型混凝土時，同時制作了3組立方體強度試件，1組彈性模量試件。立方體強度試件邊長為150mm，分別測量混凝土3、7、28 d強度。彈性模量試件規格為100mm×100mm×300mm，測量混凝土28 d彈性模量。試件測試結果表明，混凝土立方體強度滿足強度等級為C50混凝土的要求，彈性模量略低于規范取值，這是因為模型采用細骨料混凝土，彈性模量略偏低。

7 模型測點與測試

7.1 模型的測點布置

應力測點主要布置在拱座和拱座周圍，重點測量拱肋和主梁結合部的應力分布。在其他位置也布置相應的測點，測量模型應力的整體分布。

變形測點主要在端部中點拱、腳處，采用電子百分表進行測量。

7.2 模型的加載工況

模型的加載分成以下幾個工況，每加載完成一個工況后，進行相應和測試。

1）預應力工況。施加箱梁預應力。

2）恒補工況。施加恒載補償。

3）體外索工況。施加體外索荷載。

4）恒載工況。施加一期與二期恒載工況下的拱肋荷載和中邊掛孔荷載。

5）根據設計提供的主拱最大軸力、主拱最大剪力、主拱最小彎矩、副拱最小彎矩，4種最不利工況，施加4種工況下的拱肋荷載和中邊掛孔荷載。

6）極限。單獨施加拱肋荷載，按最不利工況一的拱肋荷載的2.0倍加載。加載時分級進行，加載到位后應分級卸載，每級均進行應力和位移的測量，同時輸出混凝土拱肋應力測試結果。

混凝土拱肋上共布置了4個測試斷面，分別在2個混凝土拱肋的兩端。測點布置的方向與拱肋軸線平行。每個測試截面布置有10個測點，平均分布在測試截面的頂底板上。

8 試驗分析與結論

1）模型的設計符合相似原理，模型能夠模擬實橋結構的受力情況，模型的加載方案保證了模型的邊界條件與實橋相似，模型設計能夠滿足試驗方案的要求。

2）模型各工況的試驗結果表明：絕大部分應力測試結果校驗系數在0.5～1.1，位移校驗系數在0.81～1.19，模型在各工況下應力、位移實測結果與計算結果吻合和狀態良好，處于彈性工作狀態；有限元程序能夠對實際結構進行很好地模擬，達到了相互校驗的研究目的。

3）模型混凝土拱肋的疊加應力以受壓為主，在中跨側拱肋頂板和邊跨側拱肋底板局部有拉應力，拉應力約有1 MPa。模型主梁全截面受壓，預應力布置合理。主拱肋鋼管實測最大壓應力為70.5 MPa，副拱肋最大壓應力為132.7 MPa。

4）在加載至極限荷載工況時，模型表面仍未發現裂縫，模型極限承載力大于極限荷載工況下的荷載。副拱肋鋼管實測壓應力最大，為265 MPa，拱座外包鋼板實測應力＜30 MPa。模型加載時位移和應變隨荷載變化呈線性變化，模型卸載后，位移和應變基本恢復，表明模型始終處于彈性工作狀態。