某鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋的仿真分析和靜力荷載試驗(yàn)研究

王佳佳，姜維強(qiáng)

(1.四川正路建設(shè)工程檢測(cè)咨詢有限公司，四川 成都 610000；2.中鐵北京工程局集團(tuán)第一工程有限公司，西安 710100)

1 理論分析

1.1 工程背景

該橋梁為一跨98.109 m下承式鋼箱拱橋，全橋共1聯(lián)，鋼箱梁橋面總長(zhǎng)為106.08 m，橋?qū)挒?7.8～56.116 m，跨中處橋梁斷面寬度：2×(3 m人行道+4-5.658 m鏤空區(qū)+6.5 m人行道+10.5 m車行道+1.9 m中分帶)。橋全橋設(shè)3片拱圈，左右對(duì)稱布置，中拱圈位于鉛垂平面內(nèi)，邊拱圈整體向內(nèi)傾斜25°?？缰性O(shè)橫撐連接中拱圈和邊拱圈，吊桿與拱圈共面。拱圈采用變截面鋼箱形式，拱軸線跨徑為100 m，在其平面內(nèi)矢高26.5 m，矢跨比為1/3.77。拱軸線采用二次拋物線，方程為y=0.010 6*x2，拱圈斷面為矩形。

主梁為鋼箱結(jié)構(gòu)，箱粱中線處高度為1.7 m。斷面為單箱七室形式，中腹板鉛垂，邊腹板斜置。全橋共設(shè)22根外吊桿和22根中吊桿，其中邊拱圈采用單吊桿形式，中拱圈采用雙吊桿形式。拱座采用鋼筋混凝土實(shí)體拱座接承臺(tái)基礎(chǔ)。該橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)，人群：2.4 KN/m2。

1.2 結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)圖紙，利用Midas Civil對(duì)該橋進(jìn)行仿真分析，模型中主拱圈、縱向鋼梁及橫向鋼梁均采用空間梁?jiǎn)卧?，吊桿采用桁架單元，全橋共建立梁?jiǎn)卧?90個(gè)，桁架單元33個(gè)，節(jié)點(diǎn)202個(gè)。橋梁有限元模型建立過(guò)程中的邊界條件設(shè)置如下：

(1)外部邊界：因拱圈與拱座剛接，因此主拱圈拱腳位置采用一般支撐約束拱腳節(jié)點(diǎn)六個(gè)方向的自由度；鋼箱梁在橋臺(tái)處設(shè)置三個(gè)橫向支座，根據(jù)支座型號(hào)及尺寸計(jì)算出六個(gè)方向的約束剛度，在Midas Civil中采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬支座剛度。

(2)內(nèi)部邊界：中吊桿與鋼箱梁連接為其提供彈性支撐，直接承受橋面荷載；外吊桿與外挑梁內(nèi)緣連接，主要承受人行道荷載，吊桿在其上端通過(guò)吊耳與拱圈相連，下端通過(guò)吊耳與外挑梁相連，因吊桿剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拱圈和主梁，故吊桿與鋼箱梁及拱圈之間采用共節(jié)點(diǎn)方式模擬。因外挑工字鋼梁與主梁之間剛接，且剛度遠(yuǎn)小于鋼梁剛度，故主梁與外挑梁之間采用軟件中剛性連接模擬，主梁節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，外挑梁為從屬節(jié)點(diǎn)。中拱圈和邊拱圈之間在跨中和L/4處設(shè)置三道橫撐，因橫撐剛度相對(duì)較小，橫撐與拱圈之間采用釋放梁端約束方式模擬。

2 工程試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)控制斷面選取

根據(jù)下承式系桿拱橋結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇拱圈、主梁及吊桿的試驗(yàn)截面設(shè)置情況如下。

對(duì)于中肋和邊肋在拱頂截面設(shè)置應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)，拱腳截面設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；中肋拱腳附近截面A-A、拱頂截面C-C及L/4截面B-B；邊肋拱腳附近截面D-D、拱頂截面F-F及L/4截面C-C。對(duì)于鋼梁截面取最大正彎矩截面，此截面位于邊吊桿與支座之間梁段跨中位置；主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置截面I-I。

對(duì)于吊桿索力測(cè)試截面取中吊桿D1′-1、D1′-2及邊吊桿YD1為最大索力測(cè)試截面。

2.2 靜載實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)控制截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、撓度及索力，可以反應(yīng)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下理論值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系。根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，測(cè)試的主要內(nèi)容為邊拱和中拱拱頂最大彎矩，L/4截面最大彎矩，拱腳截面附近最大彎矩，鋼主梁截面的最大彎矩及吊桿索力，拱肋、拱頂與L/4處撓度。根據(jù)測(cè)試內(nèi)容選擇相應(yīng)的儀器設(shè)備如下:應(yīng)力測(cè)試采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量?jī)x，撓度測(cè)點(diǎn)采用精密全站儀，索力測(cè)試采用頻率法。拱肋截面頂緣和底緣各設(shè)置三個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，主梁截面下緣設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，拱頂截面及L/4處設(shè)置撓度測(cè)點(diǎn)，通過(guò)在拱圈側(cè)面貼反光膜片采用精密全站儀測(cè)梁拱圈撓度。測(cè)點(diǎn)布置如圖1～圖3所示。

圖1 拱肋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖(cm)

圖2 鋼主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖(cm)

圖3 撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 試驗(yàn)荷載及荷載試驗(yàn)效率

(1)試驗(yàn)荷載

本次試驗(yàn)按照公路-I級(jí)汽車荷載進(jìn)行加載，利用Midas Civil Designer荷載試驗(yàn)分析模塊，確定試驗(yàn)荷載，試驗(yàn)采用配重汽車荷載進(jìn)行加載，依據(jù)計(jì)算結(jié)果共采用10梁試驗(yàn)車進(jìn)行加載，試驗(yàn)車的車型、軸距和輪距圖4所示。

表1 加載車輛規(guī)格表

圖4 汽車軸距布置示意圖(cm)

(2)試驗(yàn)加載效率

靜載試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)橋梁在車輛荷載(等效設(shè)計(jì)荷載)作用下，橋梁的變形及主要構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)建議，對(duì)于竣工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)，靜力荷載試驗(yàn)的效率系數(shù)應(yīng)滿足0.85≤ηq≤1.05。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的靜載試驗(yàn)荷載效率的要求及各測(cè)試斷面的設(shè)計(jì)荷載內(nèi)力值，采用靜力荷載試驗(yàn)效率ηq進(jìn)行控制。

式中：SS—靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值；S—控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力。靜力荷載試驗(yàn)各工況控制斷面的設(shè)計(jì)內(nèi)力值及加載效率見表2。

表2 試驗(yàn)內(nèi)力及加載效率 KN*m/KN

3 靜力荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)變數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

各工況控制點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值、理論值、相對(duì)殘余變形對(duì)比結(jié)果見表3。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征，選取典型斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取中肋拱頂和拱腳截面應(yīng)變沿肋高方向的應(yīng)力變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

表3 各工況下應(yīng)變分析表

圖5 中肋拱頂截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值

圖6 中肋拱腳截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值`

由表2各工況下實(shí)測(cè)應(yīng)變和理論應(yīng)變值，可知結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.80-0.98之間，殘余比在4%～17%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-2015)中撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.75～1.0范圍內(nèi)要求，殘余比在20%以內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)有一定的安全儲(chǔ)備，彈性工作狀態(tài)良好。由圖7和圖8可知，主拱圈沿肋高方向?qū)崪y(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值吻合性較好，說(shuō)明計(jì)算模型建立的邊界條件和構(gòu)件之間連接的模擬合理；沿拱肋寬度方向的應(yīng)變?yōu)橹虚g小兩側(cè)大，表明箱梁的剪力滯效應(yīng)明顯。

3.2 撓度數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

各工況控制點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)值、理論值、相對(duì)殘余變形對(duì)比結(jié)果見表4。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征，選取中拱肋和邊拱肋在L/4、L/2及3L/4斷面處的撓度分布規(guī)律進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖7和圖8，左中右三個(gè)測(cè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)L/4、L/2及3L/4處撓度。

圖8 邊肋撓度實(shí)測(cè)值(mm)

圖7 中肋撓度實(shí)測(cè)值(mm)

表4 各工況下?lián)隙确治霰?/p>

由表4各工況下實(shí)測(cè)撓度和理論撓度，可知撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.81～0.93之間，殘余比在7%～10%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-2015)中撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.75～1.0范圍內(nèi)要求，殘余比在20%以內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)有一定的安全儲(chǔ)備，且彈性工作狀況良好。由圖7和圖8可知，試驗(yàn)荷載作用下順橋向?qū)崪y(cè)撓度值與理論撓度值吻合且拱肋變形規(guī)律一致，表明計(jì)算模型建立的邊界條件和構(gòu)件之間連接的模擬合理。

3.3 索力數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

索力通過(guò)測(cè)試空載狀態(tài)下的索力和試驗(yàn)荷載下的索力，對(duì)吊桿的受力進(jìn)行分析。索力測(cè)試溫度與主梁合攏時(shí)溫度保持一致，索力的實(shí)測(cè)值與理論值見表5。

表5 吊桿索力理論值與實(shí)測(cè)值結(jié)果

由表5中各工況下實(shí)測(cè)撓度和理論撓度，可知吊桿索力校驗(yàn)系數(shù)在0.76～0.99之間，說(shuō)明吊桿安全儲(chǔ)備較大。在對(duì)稱荷載作用下，中肋下兩根吊桿實(shí)測(cè)索力增量數(shù)值在1.8%之間，說(shuō)明兩根吊桿受力均勻。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，有限元仿真模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，表明有限元模型橫向聯(lián)系和邊界條件模擬合理，可以為相似工程建模分析提供參考。

(2)該橋在各靜載工況下，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和撓度檢驗(yàn)系數(shù)均在正常范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍內(nèi)，殘余變形小于允許值。

(3)通過(guò)靜載試驗(yàn)對(duì)該橋的承載能力進(jìn)行總體考察，為橋梁交工驗(yàn)收和正常運(yùn)行提供了技術(shù)依據(jù)。