连续钢桁架拱桥静载试验研究
连续钢桁架拱桥静载试验研究 摘要:为了研究长兴县中央大道杭宁高速跨线桥的技术状 况及承载能力的评定,通过测定结构在静荷载作用下控制截 面应力和变形,并与理论应力和变形值比较,以评定桥梁的 实际承载能力和刚度;运用通用有限元软件midas Civil建 立有限元模型,,通过内力包络图找出结构的内力较大断面, 再通过影响线加载方法计算出相应截面的理论应力和变形。 通过实测数据与理论计算数据的比较,桥梁技术状况良好。 关键词:连续钢桁架拱桥;动静载试验;有限元 中图分类号:TU997文献标识码:A 1试验桥梁概述 本桥钢梁为40. 7+100+40. 7米三跨连续钢桁拱桥,钢梁 全长181. 4米,两侧边跨为平弦桁梁,中跨为刚性拱柔性梁 的钢桁拱桥,边跨主桁桁式采用有竖杆的三角形桁式,主桁 桁高9. 5米,桁宽36.3米,节间长度5米。以改善结构受 力条件,同时与钢桁拱拱肋下弦匀顺过渡连为一体,中跨钢 桁拱桥拱肋采用变高度N形桁架,中间支点处桁高17.2米 (包括加劲腿高度),跨中拱肋桁高3米,拱顶至桥面高度 20米,矢高27. 5米(拱肋桁架中心距),矢跨比3. 64,拱 肋桁架上下弦拱轴线分别采用不同的圆曲线,上弦拱轴线与 边跨平弦轴线采用圆曲线匀顺过渡,两拱脚之间设钢系杆, 以承受拱肋产生的巨大水平力。拱肋与系杆之间采用吊杆连 接,吊杆最大长度20米。 钢桁梁采用整体式节点,钢梁支座采用铸钢球型滑板式 支座。 加劲弦、拱肋下弦、平弦上下弦杆、中弦和拱肋上弦采 用焊接箱型截面,截面高600〜1040mm,外宽600〜632mm, 板厚16〜32mm。 腹杆采用“H“型截面,截面高568mm,外宽240〜560mm, 板厚12〜14mm。 系杆采用焊接矩形截面,截面高600mm,外宽600〜 632mm,板厚 16〜32nini。 桥梁横断面:0. 3 m(栏杆)+ 4. 5m(人行道)+1. 3m(分隔 带)+4. 5m (非机动车道)+1.6m(分隔带)+22. 5m (机动车道) +1. 6m(分隔带)+ 4. 5m (非机动车道)+1. 3m(分隔带)+ 4. 5m (人行道)+ 0. 3 m (栏杆)=46. 9m; 桥梁立面图见图1,主桥跨中断面图见图2。 图1主桥立面布置图(cm) 图2主桥跨中断面图(cm) 2静载试验的理论计算及实测结果分析 2. 1理论计算模型 采用midas Civil 8. 05进行计算,计算模型见图3。 图3理论计算模型 2. 2试验荷载 静力试验荷载拟采用10辆重33吨的双后轴载重汽车充 当加载车,加载车前轴平均重70kN,两后轴平均重130kN, 左右轮中心距离为1.80m。就某一加载试验项目而言,其所 需加载车辆的数量,将根据设计标准活荷载产生的该加载试 验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利效应值,按下 式所确定的原则等效换算而得。 式中:一静力试验荷载效率; —试验荷载作用下,某一加载试验项目对应的控制截面 内力或变位等的最大计算效应值; —设计标准活载不计冲击荷载作用时产生的该加载试 验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利计算效应值; —设计计算取用的冲击系数。 《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011) 中建议,静力荷载试验效率n宜介于0.95~1.05之间。 2. 3试验工况及加载位置 试验加载位置和加载车数量应根据以下原则确定: 1) 用尽可能少的加载车辆达到最合适的试验荷载效率; 2) 在满足荷载效率及达到试验目的的情况下,尽量简 化加载工况; 3)前后加载工况应互相兼顾,加载车辆合理调配。 为了防止试验期间对结构造成损伤,就某一加载试验工 况,其静载试验分为分两级或三级加载,并逐级卸载。加载 方式为单级逐级加到最大荷载,然后逐级卸载至零荷载。 试验加载车辆采用总重33t的3轴加载车,如图4所示。 加载车试验前应逐一称重编号,总重误差不得超过±1吨。 图4加载车辆示意(尺寸单位:cm) 与静载试验内容对应,纵桥向按最不利位置布载;相应 的横桥向有两种工况(中载、偏载),偏载主要是为了寻求 横向分布的最不利状态,确定偏载增大系数。静载试验设6 个工况: 1)工况一:中载作用下,中跨跨中截面处(即S1断面) 拱肋及桥面最大挠度,拱顶水平位移;跨中附近北面拱肋内 侧上弦杆截面(即S2断面)最大轴力;跨中北面内侧吊杆 (即S3断面)最大轴力;跨中中横梁的跨中(即S4断面) 最大弯矩及剪力,共需6辆加载车; 2)工况二:偏载作用下,中跨跨中截面处(即S1断面) 最大挠度;跨中附近北面拱肋内侧上弦杆截面(即S2断面) 最大轴力;跨中北面内侧吊杆(即S3断面)最大轴力;跨 中中横梁的跨中(即S4断面)最大弯矩及剪力,共需6辆 加载车; 3)工况三:中载作用下,主跨拱脚截面(即S5断面) 的北面拱肋内侧下弦杆最大轴力及拱顶水平位移;共需10 辆加载车; 4)工况四:偏载作用下,主跨拱脚截面(即S5断面) 的北面拱肋内侧下弦杆最大轴力;共需10辆加载车; 5)工况五:中载载作用下,边跨3L/8处(即S6断面) 桥面及拱肋挠度,北面拱肋内侧竖杆的应变;共需6辆加载 车; 6)工况六:偏载载作用下,边跨3L/8处(即S6断面) 桥面及拱肋挠度,北面拱肋内侧竖杆的应变;共需6辆加载 车。 2. 4静载试验加载效率 各个工况最终试验加载效率见表1 (实际加载中采用分 级加载): 表1主桥各中载工况静载加载效率 2. 4静载试验结果及分析 各个加载工况下,控制截面的理论应力、挠度、拱肋水 平偏位值与相应实测值对比分析见下表2: 表2各个测试断面应变和变位校验系数表 3结论 (1)主桥工况一~工况六控制截面各测点实测应变均小 于相应的理论计算值;工况一应变校验系数均值:(S2截面 0. 84, S3截面0.78, S4截面0.95),工况二应变校验系数 均值:(S2截面0.84, S3截面0.76, S4截面0.89),工况 三应变校验系数均值:(S5截面0. 72),工况四应变校验系 数均值:(S5截面0.74),工况五应变校验系数均值:(S6截 面0.54),工况六应变校验系数均值:(S6截面0.53),各测 点应变校验系数及各工况应变校验系数均值满足《公路桥梁 承载能力检测评定规程》关于校验系数规定的范围(小于 1.0),这表明结构的实际承载力能满足公路-I级荷载使用 要求,且有一定的安全储备;试验结构实测残余应变均不大 于20%,表明结构在试验荷载作用下处于弹性工作状态;中、 偏载工况作用下受力较大一侧拱肋的应变校验系数并未明 显偏大,荷载在两拱肋间的分布合理,结构横向刚度满足设 计要求。 (2)主桥工况 工况二各个测点挠度校验系数及各 工况挠度校验系数均值满足《公路桥梁承载能力检测评定规 程》关于挠度校验系数的规定范围(小于1.0);各工况桥面 挠度校验系数均值为0. 90 (S1截面)、0. 46 (S1截面),拱 肋挠度校验系数均值为0. 67 (S2截面)、0. 63 (S2截面), 拱肋水平偏位校验系数均