（工程力学专业论文）钢管混凝土拱桥模型试验研究与结构抗震分析.pdf

2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 摘要 钢管混凝土结构具有承载能力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火和耐腐蚀性 能优良等特点，在现代结构工程特别是公路和桥梁中得到了越来越广泛的应用。迄 今为止我国建造了为数不少得钢管混凝土拱桥，施工技术和设计方法取得了很大进 展。但在理论研究和成熟的设计施工规范尚有许多工作要做。本文着跟于该类桥梁 的模型试验研究并采用理论解析和有限元数值计算方法，对钢管混凝土拱桥的抗震 性能作了探讨。 在文献调研的基础上，论述了钢管混凝土结构的性能随着物理参数、几何参数、 应力状态和截面形式不同而变化的规律。分析了钢一混组合材料及构件的整体集合 特性，从而进行构件的相关力学计算。 通过模型相似分析，结合工程实例，参与完成了钢管混凝土拱桥模型的制作并 建立了试验加载系统，模拟拱桥施工和运行工况的试验研究。其成果一是为工程实 践提供了有价值的资料，同时由此开发出用于创新教学的综合性试验。 运用理论解析方法和有限元数值计算，探讨钢管混凝土拱桥的抗震性能。在模 态分析的基础上进行谱分析，求出桥梁典型截面的控制内力和最大位移；通过输入 给定的地震波进行时程分析，求得拱桥控制截面的内力和最大位移。 工程设计计算中通常采用的是截面换算法，但未检索到相关文献给出理由以证 明其精确性。为此本文通过更符合实际受力情况的双截面法建模并计算表明，换算 截面法得到的结果比双截面法变形稍大，但动力特性基本结果相同。为设计计算中 采用现对简单的截面换算法提供了依据。 分析得到拱肋构件面外振型早于面内出现的规律，这在拱肋稳定性分析中甚为 重要，所以在实际设计与施工过程中特别要重视面外( 横向) 刚度问题。 关键词：钢管混凝土拱桥、监测、模型试验、动力特性、抗震、有 限元、谱分析、时程分析 第3 页共7 9 页 t 要 ki 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fs om a n yk i n d so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sl o a dc a p a c i t i e s ，g o o dp l a s t i ca n d e a r t h q u a k er e s i s t i n gb e h a v i o ra n dd u c t i l i t y , a sw e l la sc o n v e n i e n c et oc o n s t r u c t i o n , c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a r ( c f s t ) h a sb e e ni n c r e a s i n gw i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i o n s ， e s p e c i a l l yi na r e a so fb r i d g e s i n c et h ef i r s tc f s tb r i d g en a m e ds i c h u a nw a n g c h a n g b r i d g ei nc h i n a , c f s tb r i d g eh a sd e v e l o p e dv e r yf a s t s i n c ei ti sac o m p l e t e l yn e wt y p e o fc o n s t r u c t i o n , t h e o r yr e s e a r c ha b o u tc f s tb d d g ei sr e l a t i v e l yb e h i n d h a n d b yf a rt h e r e h a sn o tb e e nac r i t e r i o nf o rt h i sk i n do f b r i d g e , e s p e c i a l l yi nt h ea r e ao f d y n a m i c s p r o p e r t y a n a l y s i sa n ds e i s m i ca n a l y s i s ， d u r i n gt h er e s e a r e h , ic o l l e c t e da n ds u m m a r i z e dag r e a td e a lo fd a t a b a s e do nt h e t h e o r yo f c o n c r e t e - f i l l e d t u b eu n i f i e d ，ir e c k o n e dt h ea n a l y s i st h e o r y , a n dt h es e i s m i c t h e o r yr e s e a r c hi nc f s tb r i d g ei si n 仃o d u c e di nt h i sr e s e a r c h a n di nt h i sp a p e ran e wk i n d o fa n a l y s i sm e t h o di su s e dt h a tc o m b i n e dt h et w ok i n d so fm a t e r i a li n t oo n e s oh o wt o l r a n s f o r mt h ec h a r a c t e r so f t h em a t e r i a la b o v ei so n e o f e m p h a s e si nt h i sp a p e r b a s i n go nt h em o d e la n a l y s i st h e o r y , as t r i c ts i m i l a rm o d e la c c o r d i n gt ot h es h a o x i n g k e q i a ob r i d g ew 鹊m a d e a n das e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ef i n i s h e di no r d e rt oa n a l y z e t h eb e h a v i o ru n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s t r u c t i o na n df u n c t i o n a n dt h ed a t ew e v eg o ti s u s e f u la n dw i l lb ef o rt h ep r e s e n t 晡d g ec o n s t r u c t i o na n df u t u r e b e s i d e st h es t a t i ca n a l y s i s , t h ed y n a m i c sa n a l y s i si sa l s ot h ee m p h a s i s i nt h i ss e c t i o n , w ea n a l y z et h ec f s t b r i d g eu s i n gb o t ht h e o r ym e t h o da n df e am e t h o d d u r i n gt h ef e a a n a l y s i sw ea d o p tb o t ho ft h ed o u b l e e l e m e n tm e t h o da n de f f e c t i v es e c t i o nm e t h o dt o a n a l y z et h ee l a s t i cs e i s m i cr e s p o n s eo fad e c k t h r o u g hc f s tb d d g e t h r o u g ht h em o d a l ， s p e c t r u m , a n dt r a n s i e n ta n a l y s i s ，t h ee l a s t i c - p l a s t i cs e i s m i cr e s p o n s eo ft h ee x a m p l ei s s u c c e s s f u l l yf i n i s h e d t h er e s u l t si n c l u d et h ef o r c er e a c t i o na n dd i s p l a c e m e n tr e a c t i o no n t h ec o n t r o ls e c t i o n k e yw o r d s ：c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b u l a r , m o d e le x p e r i m e n t , e a r t h q u a k e r e s i s t a n c e ，t e a , s p e c t r u ma n a l y s i s ，t r a n s i e n ta n a l y s i s 第4 页共7 9 页 4 ，吖、| o 一 i ， ! 卜1 ， ， 、 2 0 0 6 浙江大学硕七学位论文 第一章绪论 钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁工程中发展起来的新技术，具有自重轻、承载 力大、抗变形能力强的优点。它比较好地解决了修建桥梁所需求的用料省、安装重 量轻、旌工方便、承重能力大的诸多矛盾，是大跨度梁桥的一种理想的桥型。自1 9 9 0 年在四川旺苍建成了跨度1 1 5 m 的国内第一座钢管混凝土拱桥以来，至本世纪初，全国 各地已建成的钢管混凝土拱桥约1 0 0 余座 国外关于钢管混凝土结构的研究与应用已有近百年历史，而国内则是从上世纪 5 0 年代开始研究，进入上世纪9 0 年代以后，钢管混凝土作为一种新的组合材科，由于 其力学性能非常适合拱式体系的桥梁，得到广泛的应用和迅猛发展。但迄今为止对钢 管混凝土拱桥尚处于研究中，目前没有该类桥梁的设计和施工规范乜1 为分析拱桥在 各种荷载工况下的受力性能，验证设计理论、确定复杂结构细节的受力状态。作者 将通过模型相似分析，结合工程实例，制作钢管混凝土拱桥模型并建立试验加载系 统，进行模拟拱桥施工和运行工况的试验研究。同时运用理论解析方法和有限元数 值计算，探讨钢管混凝土拱桥的抗震性能。 1 1 钢管混凝土结构在拱桥中的应用 钢管混凝土是由混凝土填入薄壁钢管而形成的组合结构材料。内填混凝土增强 钢管壁的稳定定性，而钢管对混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压 状态，从而增强混凝土的抗压强度和变形能力。 拱桥是典型的压弯结构，随着跨度要求的不断提高，高强材料的应用受到稳定问 题制约：而钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥由于自重较大，施工架设问题突出。高强 材料的应用和无支架施工的困难，制约了拱桥的发展。 将钢管混凝土应用于拱桥同时解决了拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化的两大 问题，这种为钢管内包混凝土，与核心混凝土共同作为结构的主要受力组成部分，同 时也作为施工时的劲性骨架，设计以前者控制，称之为钢管混凝土拱桥。 ( 一) 承载力提高 一方面，钢管混凝土构件轴心受压时，混凝土的横向变形受到钢管的约束而处 于三向受压状态，从而提高了核心混凝土抗压强度，大大改善了混凝土的力学性能， 第5 页共7 9 页 5 一 f ， k 一 7， 聋 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 改善了混凝土的脆性的弱点。而填于钢管之内的混凝土。又增强了钢管管壁的稳定 性，以致其不易屈曲。另一方面，承载力高，可使构件截面减小，增加使用空阃， 且构件自重减轻，从而减小基础负担，降低基础造价。 ( 二) 变形能力好 钢管混凝土结构中，核心混凝土在钢管的约束下，既使其在使用阶段的变形能 力改善了，同时在其破坏时产生很大的塑性变形。试验表明，钢管混凝土柱被破坏 时可以压缩到原长的2 3 ，钢管中的混凝土已经由脆性破坏转变为塑性破坏，使整 个构件呈现出弹性工作塑性破坏的特征。 ( 三) 防火能力强 钢管混凝土柱在吸热后一些热量会传给混凝土，减慢钢管的升温速度，并且一 旦钢管部分屈服，混凝土可以继续承受轴向荷载，防止结构倒塌。而且钢管混凝土 构件在急骤降温( 如消防冲水) 时又不像钢筋混凝土那样爆裂，说明其防火性能比钢 结构和钢筋混凝土结构更加优越。 ( 四) 施工方便 ( 1 ) 钢管本身就是模板，在浇灌混凝土时，可省去模板的施工，并可适应先进的 泵灌混凝土工艺。 ( 2 ) 钢管本身又兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，制作钢管远比制作钢筋骨架省 工，而且便于浇灌混凝土。 ( 3 ) 钢管本身又是劲性承重骨架，在施工阶段可起劲性钢骨架的作用，其焊接工 作量远比一般型钢骨架少。 ( 五) 经济效益显著 实践表明，钢管混凝土与钢结构相比，在保持i 鲁重相近和承载力相同的条件下， 可节省钢材5 0 ，并节省大量的焊接工作：与普通钢筋混凝土相比，在保持钢材用 量相近和承载力相同的条件下，构件的横截面积可减少一半，从而使建筑空间得到 加大，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少5 0 。另外，钢管混凝土本身的施 工特点符合现代施工技术工业化的要求，可大量节约人工费用，降低工程造价。 ( 六) 结语 与钢筋混凝土和钢结构相比，钢管混凝土是一种相对年轻的结构，但它却以其 特殊的优点，正愈来愈受到工程界的重视和青睐。相信随着人们对钢管混凝士这类 第6 页共7 9 页 6 ， t # k 1 f 哇 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 结构的不断认识和了解，这类结构的科学研究必将更趋深入和完善，工程应用必将 更趋广泛。 1 2 钢管混凝土拱桥的结构与构造 钢管混凝土拱桥，分为上承式、中承式和下承式。中、下承式拱桥过去常出现在 钢拱桥中，钢筋混凝土拱桥由于受吊装能力的限制，采用中承式和下承式的结构较 少。钢管混凝土的应用，使吊装重量大大减轻，因而中下承形式使用较多t l l 。 在已建的钢管混凝土拱桥中，除极少数为上承式外，绝大部分为中下承式上承 式拱建筑高度大，对地基要求高，适合于峡谷桥位。上承式钢管混凝土拱桥有肋拱、 桁拱、箱拱以及刚架拱和桁架拱。上承式肋拱常采用多肋形式( 多于两肋) ，以节省材 料、方便施工。上承式构造，横向联系容易，桥面系支承于立柱上，整体性、横向稳定 性和抗震性均较好。 下承式拱一般带拉杆( 系柯拱) ，为无推力或少推力结构，它主要用在建筑高度受 限制、通航要求高和地基条件较差的情况下在平原地区和跨线桥中应用较多。下 承式拱桥的截面只能是肋式，跨径小时可用单管，百米左右可选用哑铃形，再大可采 用桁肋和箱肋。根据上下部结构的联接方式，系杆拱又可分为两种。一种是上下部之 间刚接，系杆不参与桥面系的受力，为纯拉杆，称之为刚架系杆拱。另一种是上部结构 简支于墩台上，通常情况下系杆即纵梁，属拉弯结构，因而是一种拱梁组合体系( 图 第一种方式由于拱墩固结，可像一般固定无铰拱一样采用无支架施工，且横向稳 定性也较好：但属高次超静定结构，活载内力和次内力对下部结构影响较大。采用第 一种方式的较多，如旺苍大桥、绍兴柯桥( 本文实验原型) 、南海佛陈大桥等。第二 种方式结构受力明确，为外部静定、内部超静定结构。下部结构类似梁桥：但节点处理 和拉杆张拉调整困难，支座构造复杂，施工须采用少数支架或整片浮运，主要应用于 江南水乡河网地区。 钢管混凝土下承式拱，常采用柔性系杆和柔性吊杆，主要靠风撑将拱肋联成整体。 因此横撑间距较密，刚度也较大，甚至用一系列k 撑。如果要取消风撑，须改用刚性系 梁，或加大拱肋刚度 中承式拱的构造介于上承式和下承式之间，其建筑造型极佳，在城市桥梁中往往 受到青睐，但过去用钢筋混凝土建造，显得过于粗笨。钢管混凝土中承式肋拱桥在城 第7 页共7 9 页 7 ， 、 ， 毫 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 市桥梁中的应用近几年来很多。 中承式拱桥常用在主跨，跨径大，边跨配上承式，跨径小，一般不带系杆，通常通 过边孔小跨采用小的矢跨比和较大的恒载集度比( 如钢筋混凝土板拱、肋拱、刚架拱) 来解决不等跨的不平衡推力问题。这样处理较经济，且总体造型上主孔中承式位于广 阔的江中，视野开阔，不会造成与沿江建筑物相拥挤的感觉，又由于边孔的衬托，显得 雄伟壮观，车行其问，有出入门户的感觉，往往成为城市标志性建筑。有时受建筑高度 限制或由于其它原因，边跨也用中承式。 1 3 钢管混凝土拱桥研究进展 作为一项新技术，越来越多的研究者参与其中。就目前而言，对钢管混凝土拱 桥的研究从静力学和动力学两方面展开主要集中在如下几个方面： 1 3 1 极限承载力研究 针对钢管混凝土拱桥进行了相当多的成桥静载试验和一些室内模型试验，试验 结果都表明钢管混凝土拱桥在使用阶段结构基本处于弹性阶段。 极限承载力指结构破坏时的承载能力，对于压杆来说根据破坏性质可分为强度 极限承载力和稳定极限承载力。目前进行受力全过程和极限承载力的试验还较少， 福州大学开展了此方面的部分工作，但也仅限于单圆管拱肋。试脸研究表明，钢管 混凝土拱肋具有较好的弹塑性工作性能，与钢筋混凝土拱桥相比其弹性、塑性、延 性均较好。同时还反应出钢管混凝土拱桥的受力性能更接近于钢拱桥的受力性能。 认为钢管混凝土肋拱的极限承载力应该考虑材料非线性和几何非线性，是极值点失 失稳的极限承载力。因此研究的关键是极值点稳定问题的研究“。 华南理工大学的颜全胜讨论了几何非线性对钢管混凝土系杆拱桥的各施工阶段 的极限承载力的影响，但文中并没有考虑钢管对混凝土的约束效应对结果产生的影 响。 福州大学的陈宝春、吴尚杰等把钢管混凝土作为一种组合材料，将混凝土三向 受力的特性直接反映在本构关系中，利用非线性几何方程和总势能驻值条件，导得 空间梁单元刚度方程，得到稳定方程的特征方程，求得侧向稳定临界荷载“1 。( 在 本文第四章有引用) 第8 页共7 9 页 8 ， ， 一 2 0 0 6 浙江大学硕十学位论文 1 3 2 材料和温度、时间效应的影响研究。 广西大学的谢肖礼采用混凝土徐变理论及有限单元法，对南宁永和大桥( 单跨为 3 3 8 m 的下承式钢管混凝土桁拱) 进行了研究，认为由徐变产生的截面应力重分布非常 显著( 混凝土松弛后其应力减小，钢管的应力显著增加) ，如与外荷载作用下的应力 相叠加，则可能会恶化结构构件的工作性能嘲。 福州大学的陈宝春教授通过试验与计算，对钢管混凝土拱桥温度内力计算中温 度变化取值的问题进行了分析，认为钢管混凝土拱桥不能以空钢管的合拢温度作为 结构温度内力计算的基准温度，而应该采用考虑管径大小、水灰比、空钢管合拢沮 度等因素的计算合拢温度，而年温度若取钢筋混凝土结构计算中采用的月平均温度 则偏小，取钢结构计算中采用的极值温度则太高，取日平均温度较为合适 武汉交通科技大学的何雄君基于结构理论，建立了钢管混凝土组合材料温度j 自应力及超静定结构温度位移、内力及应力的计算公式，为钢管混凝土拱桥的温度 分析提供了理论依据，但文中未对温度荷载分布的具体形式作出定义m 。 1 3 3 动力特性研究 西南交通大学的施洲博士针对跨径为1 4 0 m 的中承式钢管混凝土拱桥一瀑 布沟大桥建立空间有限元模型，对其自振特性作了详细的计算分析，同时进行实桥 的自振特性测试。将实桥测试结果与计算分析结果作比较并分析了模型简化、结构 参数变化对自振特性的影响状n 1 日本大阪城市大学i 勺k a t s u y o s h i n a k a n i s h i 教授通过h y o g o k e n n a m b u 地震后的 桥梁测试和桥梁模型振动试验，并按日本桥梁抗震设计新方按提出，在钢管混凝土 核心嵌入一根新的钢管以增加桥梁的柔度和延性，并在实际工程中取得较好效果9 1 3 4 几个有待深化的问题 国内外对于钢管混凝土拱桥学者研究较多，但由于钢管混凝土拱桥受力的复杂 性，特别是我国的相关研究较国际上相对滞后，尚没有成熟的专门规范，以下归纳 一些有关钢管混凝土拱桥的研究中有待深化的问题： 第9 页共7 9 页 9 ， i 0 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 目前钢管混凝土拱桥静力学方面的研究工作开展得比较广泛，并且也在不 断深入，相对而言动力性能方面的研究就显得比较薄弱。特别是随着钢管混凝土拱 桥的迅速发展，分析时一般都是套用钢筋混凝士构件的换算截面法，并没有针对地 反映钢管混凝土构件本身的特点。至于结构进入塑性状态的地震响应分析几乎未见 有关文献介绍。 ( 2 ) 很多研究中没能突出钢管混凝土这样一种特殊的材料性质，特别是钢管在受 力过程中对混凝士的紧箍力考虑不多，突出表现在计算时通常采用换算截面法，而 该方法对两种材料的耦合作用是否足够精确，尚待研究。 ( 3 ) 哑铃型钢管混凝土拱桥的空间分析中，对于拱肋计算模型的研究不多： ( 4 ) 钢管混凝土拱桥中，钢管混凝土拱肋是典型的压弯构件，理论分析中对钢 管混凝土组合材料在复杂受力状态下的本构关系还不十分明确： 1 4 课题背景 钢管混凝土拱桥在施工和运行时弯矩变化、桥墩受垂向压力和对称弯矩的作用， 并有剪力存在。对钢管拱而占，过大的弯矩将发生高拉应力破坏；而桥墩按垂向承 压设计，不能抵御端部过大弯矩与剪力。由于结构设计的特异性，施工和运行状态时 必须在结构关键部位的应力和变形监控下进行，否则有可能导致施工崩塌重大事故， 或由于非载荷工况应力的不合理预置，降低运行 承载功能力。 本文进行的模型试验和结构抗震分析中，选用 了浙大力学系承担的一项课题一一浙江绍兴 “金柯桥”作为研究对象( 图1 1 ) 。 本试验桥跨度l = 9 0 m ，高跨比，= 1 ：4 ， 拱高h = 2 2 5 m ；拱肋截面呈哑铃型，腹板 间距口= 4 0 0 r a m ，腹板高度b = 4 9 4 m m ， 钢管直径d = 9 0 0 m m ( 见图1 2 ) ，拱肋中 心线型为抛物线 第1 0 页共7 9 页 图1 1 金柯桥 麓 士一j 盟 图1 2 哑铃型截面 2 0 0 6 浙江丈学硕十学位论文 j ，= 主( 叫工【o ，明 拱肋钢结构总重1 0 0 t ，内部混凝土重7 0 0 t ，3 0 0 0 t 重的路 面由两组吊杆悬挂于拱肋。拱端支撑于桥墩，拱端张拉力设 计值p = 9 6 x 1 0 3 k n 1 5 本文主要工作 ( 一) 结构模型试验 通过相关模型理论的分析。对照工程实桥制作了相似的模型。参与设计相关的 荷载和加载设备，进行了以下试验 ( 1 )模拟施工和运行工况下的拱肋应力测试 ( 2 )基于振动频率法的水平索力测试。 ( 3 )在张拉预应力过程中的拱肋应力测试 ( 二) 钢管混凝土拱桥的动力特性分析。 论文期间通过相关理论分析和有限元计算。对拱桥结构作出以下分析： ( 1 )本文根据相关动力特性理论，分析了钢管混凝土复合拱桥地震作 用下相关响应，在模态分析的基础上进行谱分析，求出桥梁典型截面的控制 内力和最大位移：通过输入特定的地震波进行时程分析，求得拱桥控制截面 的内力和最大位移。 ( 2 ) 对于哑铃型钢管混凝土拱桥，拱肋简化计算时采用以刚度等效为 原则的换算截面法计算精度较高，本文通过符合实际受力情况的双截面法加 以证实。 结构在车载和地震荷载作用下可能会因内力或变形达到极限状态而破坏在反 复荷载作用下，结构的非线性性能主要由材料非线性及几何非线性引起“研究钢 管混凝土压弯构件p 一滞回关系特性，是建立考虑钢管混凝土材料特性的钢管混凝 土拱桥非线性地震反应分析计算机方法的基础工作，具有重要的意义m 1 。 第1 i 页共四页 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 第二章钢管混凝土拱桥基本理论 讨论钢管混凝土的基本力学性能，对深入研究钢管混凝土拱桥是十分必要的。 我国自上世纪5 0 年代开始对钢管混凝土的基本理论进行了大量的研究，并取得 了许多重要的成果。国际上更是在不断完善钢管混凝土的基本计算理论的同时，发 展钢管混凝土应用的新领域。 本章主要理论基本参考钟善桐教授的钢管混凝土结构”，蒋家奋和汤关柞 教授合编的三向应力混凝土n ”。韩林海和钟善桐教授合编的钢管棍凝土力学 “，蔡绍怀教授的钢管混凝土结构n “，a k k v e d a r a s ，“r e s e a r c ha n dp r a c t i c e o f c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b e s ”n 叮对钢管混凝土拱桥的基本计算理论作了小结，对后 面的试验和理论分析作铺垫。 2 1 材料基本假定 现有理论和应用中对钢管棍凝土分析主要采用了以下基本假定n 订“钉： 1 在整个加载过程中，拱肋截面变形符合平截面假定。 2 由于混凝土的抗拉强度很低，可忽略混凝土的拉应力的作用 3 钢管与混凝上之间有可靠的粘结，不发生相对滑移： 5 忽略剪应力和剪应变对于受力和变形的影响： 6 忽略混凝土收缩和徐变影响。 2 2 核心混凝土的本构关系 文献【1 4 1 通过对3 0 0 多根钢管混凝土( 包括普通和高强混凝土) 轴压短试件的试 验结果进行验算，回归建立了核心混凝土受压的应力应变关系，这种本构模型考虑 了钢管对混凝土的套箍作用，套箍作用体现在以一维形式表达的核心混凝土的应力 应变关系之中( 如图2 1 ) ： 第1 2 页共7 9 页 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 o 图2 1 核心混凝土轴压口占曲线 h 屯3 陪口酬 - s o s _ 0 = o o ( q 1 ) 一t r o q ( 一刍0 。f 3 s s o 且 孝扎1 2 6 0。 _ i 3 s 岛且孝 1 1 2 s i 够( ，- 昙 2 丢，。3 。 式中 吒：核心混凝土组合材料的平均轴向应力 气，；三向受压混凝土极限应变，取值屯3 = 0 0 1 6 ：厶【1 1 9 4 + ( 马( 棚0 7 4 8 5 孝2 + 0 5 7 8 9 善) ，矗 s o = 乞+ 1 4 0 0 + 8 0 0 譬) 乞= 1 3 0 0 + 1 4 9 3 厶( 胆) a = 2 0 - k b = 1 o - k 第1 3 页共7 9 页 ，。，kh。、l l 七= o 1 p ” 七 鼋2 丽 = ( 2 3 6 x 1 0 一) o 州”rx s x f 吐2 x l o 4 2 3 钢管的本构关系 对钢材的应力应变关系在计算中经简化后常由弹性段、弹塑性段、塑 流段、强化段和二次塑流段组成，如图2 2 ： 具体表达式如下： g | r 图2 2 钢材单向轴拉口占 弹性阶段( o a 段) ： 吒= 巨占 弹塑性阶段( a b 段) ：吒= 筹 塑流阶段( b c 段) ： = 工 强化阶段( c d 段) ： 吒= z + e p 一乞2 ) 二次塑流段( d e 段) ：巳= 五 其中： 第1 4 页共7 9 页 o s 占 e p 。s e s n b i 占 2 乞2 s 占 t 3 s 譬 1 4 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 肚南唧c 嬲， ：钢材的比例极限 ：钢材屈服强度 z ：钢材极限强度( 工- - 1 6 ) 钢材的比例极限应变( 。= 考) g ，。：钢材开始屈服时的应变 占：钢材开始硬化时的应变( 毛2 = l o t , 1 ) e ，：钢材二次塑流开始时应变( = 1 0 0 6 , i ) 在受压区，钢管的本构关系由钢管混凝土组合材料的名义平均应力矿及混 凝土的应力盯得到，此时有： 厅= 焘= 号警= 击1 c 峨例 4 + 44 + 4 + 口、 8” 可得到钢管混凝土受压区胁= 华( 删) 在受拉区，钢管处于纵向受拉、径向受压而环向受拉的三向应力状态，。忽略 相对很小的径向应力，则为纵向和环向受拉应力状态，因而屈服点高于单向受拉时 的屈服点，偏安全的取为1 1 工；同时，f h 于混凝土抗拉强度很低，很快就开裂，不 能承受纵向应力，这样，混凝土处于径向和环向双向受压应力状态，延性提高不大， 取双向受压混凝土的极限应变s 矗2 为o 0 0 4 。一旦混凝土被压碎后，钢管便处于单向 受拉状态，按钢材单向受力应力应变曲线求解钢管受力，即有： 第1 5 页共7 9 页 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 其中： 肚磊唧t 嬲， = o 8 2 5 f y 为轴拉组合比例极限 = 1 1 工为轴拉组合强度标准值 ：0 8 2 r ，5 f y 为轴拉组合比例极限应变 正， 屯2 = o 0 0 4 2 4 钢管混凝土轴压本构关系 钢管混凝土组合构件的轴压应力应变曲线见图2 3 第1 6 页共7 9 页 ( 2 3 ) 1 6 口 瓴 铒 a 耙 苫 昏 鱼 v i 一 ” 耐 涫 “ 怄 器 姐 “ o 中 审哆踟 b 吒吒吒 b 曩 b 曩 ，j、l 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 图2 3 钢管混凝土轴压6 - - 础线 其中：0 a 段为弹性阶段，：a b 段为弹塑性段：b c 段为塑性强化段。 ： e 一1 0s 西0 4 髭q 1 + 旦q 一彤+ 丘p + ) 厅 一尼 式甲： 于：钢管混凝土组合材料的平均轴向应力； 占：钢管混凝士组合材料的平均轴向应变； 疋：钢管混凝士轴压组合强化模量，当善o 0 9 6 时e = 5 0 0 0 0 r + 5 5 0 ( m p a ) ； 。 一 当掌o 0 9 6 时e 。= 4 0 0 善一1 5 0 ( m p a ) e ：钢材的弹性模量，巨- - - 2 0 6 x 1 0 5 ( m p a ) 善：套箍系数( 善= 差= 口老) 、 口：钢管混凝土构件截面含钢率( 口：生j ：钢材的屈服强度( m p a ) 。 工：混凝土标准强度( m p a ) q = 磊e 冲r 笔警铲， ， 纠一乏睁2 。 纠一乏睁 、 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 ，p 丘2 薏为钢管混凝士轴压组合弹性模量 层= ( 。1 9 2 2 - - 岳5 + 0 4 8 8 ) 尼为钢管混凝土轴压组合比例极限 = 。6 7 考为为钢管混凝土弹性轴压变形组合比例极限 层= ( 彳+ 骘+ c 手2 )为钢管混凝土轴压组合强度标准值 ( 其中a = 1 2 1 2 b = o 9 7 4 + o 1 7 5 9 五2 3 5c = 0 0 3 0 9 - 0 1 0 3 8 f 2 a 。) 2 5 钢管混凝土纯弯构件的基本性能 。钢管混凝土受弯构件的m o 关系曲线( 图2 4 ) 包括弹性、弹塑性和塑性三 个阶段 ，m ：。2 ：善：9 。丢，：， 乙妒s ： 矿 磊。：。， l n 8 8 7 5 2 5 c 丢帆俐 第1 8 页共7 9 页 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 = _ o 0 4 8 3 2 孝 + 1 9 2 6 4 4 芋 毛。层 为钢管混凝土组合抗弯承载力，f ：墨五 7 4 厶 阡_ = 鲁 为钢管混凝土组合全截面抵抗矩 虎= 1 0 6 7 矿4 f y 唬= 酱 抗弯刚度的简化公式为： e 。l 。= 0 2 6 6 m 。| 牵c 钢管混凝土受弯构件的特点是：中和轴不在形心位置。因为受弯时，截面分为受 压区和受拉区。受压区钢管与混凝土皆承压，而且在发生塑性后还会产生相互作用 的紧箍力：不过此紧箍力沿受压区高度分布不均匀，主要在最大受压纤维附近。而受 拉区混凝土开裂，只有钢管抗拉区，内部混凝土对钢管只提供横向约束。 第1 9 页共7 9 页 2 0 0 6 浙扛大学硕士学位论文 第三章钢管混凝土拱桥模型试验研究 模型试验研究的目的：一是验证设计理论；二是确定复杂结构的受力状态n ”， 为设计优化提供依据。 桥拱肋结构多数是高次超静定结构，设计计算时多数采用简化方法。通常情 况是首先把空间问题简化为平面问题，然后再对平面问题进行简化计算。甚至不考 虑荷载的横向布置、剪滞效应、加劲拱肋全截面参加工作等n i s o 虽然在桥梁设计 中理论计算十分必要，但对于大型和新型的结构来说，模型试验有其不可缺少的地 位。 本章通过相关的模型试验，利用桥拱控制截面的应力水平和桥墩的水平位移 监测技术研究，为该结构分析与施工监控提供了执行方法和技术。 3 1 模型理论基础 3 1 1 模型相似准则 、 模拟钢管混凝土结构的全部非弹性性能，其中包括模拟正确的破坏形式和承载 能力，这是很不容易的。另一个难点是，钢管混凝土结构包括钢管和混凝士两种材 料。在预应力模型结构中，加预应力的锚固构造是关键。 ( 1 ) 在模型和原型钢管混凝土中，单轴受拉和受压的应力一一应变曲线 必须在几何上相似。 ( 2 ) 在单轴受拉和受压下，毛= 总结可得出一下相似准则啪1 1 几何相似 - 这一条件要求原型和模型的几何尺寸和相应位置应保持相似。以c j 表示几何相 似系数数。物体受荷载后将产生变形，在线性范围内，在小应变情况下，根据弹性 力学中的几何方程可以定出，要保持真实结构、模型相似，其线应变占、角应变，、 位移i , 和几何相似系数必须满足 g = c q = c c f ( 3 1 ) 第2 0 页共7 9 页 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 由于s 和，都是无量纲量，因而要使原型和模型严格相似，应该使c = c = l 于是有q = c ，应当指出，c = c = 1 是为保证模型几何尺寸严格相似应满足 的要求而不是保持几何相似就能自动满足的在一般情况下，要求c = c = i 或接 近1 。 2 物理条件 这里是指发生物理现象的介质的物理特性和受荷载引起的变化反应必须相似。 例如加在弹性范围内用以描述材料性质的弹性模量e ，剪切模量g ，泊松比y ，容重w 和应力状况，都应根据需要满足相似条件的要求。 对于各向同性体，在线弹性范围内，由弹性力学的物理方程可知，要模型和真 实结构相似，必须使得e 、i v ，g 、和应变占、仃的相似常数q 、c r ，c g 、c ，c 和 c 、c 等满足下列条件： c = l ，巳= c q ，c = c g e ( 3 2 ) 由于y 是无量纲量，在模型相似条件中应取e = 1 ，这一要求在脆性材料结构模 型试验中一般不难达到，为此应尽量做到c = 1 或接近于1 。由此可以推得 g = c = q = c 6 ，可以看出，这些条件是相当苛刻的。 3 ，边界条件相似 指物体表面所受的外力、荷载作用顺序，约束条件和初始条件等，其中约束条 件必须与真实结构相同。至于荷载作用顺序，对于线性问题是无关紧要的，对于非 线性问题则必须考虑荷载作用顺序。结构表面作用有静态外力时，根据用应力表示 的表面条件可知， 表面压强p 、集中力p 和力矩m 等的相似常数分别为： c v = c 口 c v = g = c q 2 ( 3 3 ) c m = c p | = c s 满足了以上三个方面的相似条件，模型试验得到的数据才可以应用于真实结 构。 第2 i 页共7 9 页 2 1 2 0 0 6 浙江大学硕十学位论文 3 2 1 模型比例选择 要在给定实验室中制作模型，就需要选择最佳的比例系数。大比例模型易于制造，但需要较 为重型的加载设备；而较小比例的模型只需要轻量级的荷载，但在制作和加工上会出现困难。常 用结构的典型比例系数如下“。 表3 1 拱肋原型与模型尺寸表 结构类型弹性模型强度模型 桥梁 l ，2 5 l ，2 0 薄壳屋顶 i ，5 0l ，2 0 反应堆容器 1 5 0l ，2 0 大坝 l 4 0 0l ，7 5 风效应结构1 5 0不适用 3 2 1 试验原型 3 2 模型设计与制作 绍兴金柯桥单跨钢管混凝土拱桥，跨度l = 9 0 m ，高跨比，= 1 ：4 ，拱高h = 2 2 5 m ； 拱肋截面呈哑铃型，腹板间距a = 4 0 0 m m ，腹板高度b = 4 9 4 m m ，钢管直径 d = 9 0 0 删行，拱肋中心线型为抛物线y = 主( 三一x ) x 【o ，明拱端支撑于桥墩，拱 端张拉力设计值p = 9 6 x 1 0 3 k n 。 在竖向集中载荷作用下，拱的曲率将变小， 桥墩在巨大的横向推力下发生变形。内力分析 表明，随着拱肋的弯矩变化、桥墩在受垂向压力 和对称弯矩的作用，并有剪力存在。 对拱桥而言，过大的弯矩将发生高拉应力 破坏；而桥墩按垂向承压设计，不能抵御端部过 大弯矩与剪力施工中崩塌破坏的危险区实际 上在这两个部位 设计者构思，如在桥墩之间加上预拉应力 索，则可形成补偿载荷，抵消包括结构自重和 运行时恒载与动载对拱和墩的内力作用。拱一 第2 2 页共7 9 页 图3 1 拱肋 原型截面示意 图 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 桥面一墩索系统的“封闭体系”，可实现低应力 长寿命运行。图3 2 是按原型设计参数计算的拱 肋弯矩m c x ) 曲线。 结构在设计载荷系的作用下，跨中截面的 弯矩肘( = 2 4 3 0k n 埘。在拱自重和桥面载 荷已定条件下，可以调节索力控制m ( 功的分布。 设计中预置的弯矩，可以提高拱桥整体承载能力 并延长使用寿命。 3 2 2 试验各相似系数 图3 2 拱肋计算弯 矩图 根据式3 1 、3 2 并1 1 3 3 与本实验相关的基本物理量有：弹性模量e ，泊松比， 几何尺寸工、弯矩 厶扭矩几轴力n 、剪力q 、分布荷载p 。用方程分析法和量纲 分析法作相似分析，得到试验模型相似参数。下列各式中以a 代表原型，以l n 代表模 型，q 为几何相似系数，则： 。= 老c iq 寺= 口 g = 薏= 鲁= q 乞2 气，吒2 为了使模型试验结果能确切反映实桥的结构性能，根据模型需在相似理论指导 下设计，模型采用壁厚2 m m p l 径3 2 m m 的不锈钢管。由于直径太小，管中混凝土浇筑 质量难以保证，故尺寸设计中采用刚度等效原则，在哑铃型拱肋内部添加铁砂以模 拟内部砼的施工自重载荷，实验后沙可从拱端小孔排出 根据中钢管混凝土结构设计与施工规程( c e c s2 8 ：9 0 ) 计算拱肋的刚度“”。 第2 3 页共7 9 页 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 3 2 3 模型尺寸 考虑到原型钢管与混凝土联合承载，而模型主要由钢拱受力的差异；同时截面 的适当扩大有利于用比重不大的沙来模拟施工中砼的载荷，同时考虑到实验场地， 决定采用以下几何相似系数1 1 6 11 2 0 1 e 具体尺寸见下表； 表3 2 拱肋原型与模型尺寸表 线型尺寸截面尺寸 参跨度拱高钢管外腹板高腹板间 数 径( r a m )度( 嗍)距( n m l ) 原 型 l - - 9 0 f - - 2 2 5 d - - 9 0 0b = 4 9 4a = 4 0 0 模 型 l = 2 。0 5 d = 3 0b = 1 6 5口= 1 3 3 比 厶：上 如= 丽1 、 例尺 u 4 5 3 2 4 模型制作 分三段制作模型拱肋，接头位于拱肋的l 4 和l 2 处，拱脚段接头出开小孔以 排放铁砂和细砂。具体制作如图3 3 所示： 第2 4 页共7 9 页 ! ! 竺塑垩查兰堡主兰堡丝苎 抉曲下虚线与拱辨联结处焊接垫膏 l 洌l l 坚 材料：不铸埘 衰面抛光 图3 3 模型制作示意图 撰肋截面轮廓 橱臂和锯扳壁厚a 晰 第2 5 页共7 9 页 图3 4 模型3 d 外观简图 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 图3 5 模型试验现场图 3 3 模拟施工监测方案设计 由于结构设计的特异性，要求施工必须在结构关键部位的应力和变形监控下进 行，否则有可能导致施工崩塌重大事故，同时为了验证设计计算方法的有效性和正 确性，直观确定复杂结构细节的受力状态。 本节设计了以下监测方案 ( 一)钢管吊装时监测 如图3 6 所示 桥墩 图3 6 钢管吊装监测示意图一“金柯桥”实景 其中n 为拱对桥墩的推理，m 为桥墩顶端所受弯矩，t 为水平钢索张拉力。 q l 为钢管自重荷载。此时仅在钢管自重作用下，可测得控制截面的应力，以校 核是否在许用应力之内 第2 6 页共7 9 页 2 0 0 6 浙江大学硕士学位论文 ( 二)钢管内贯注混凝土时监测 如图3 7 ，3 8 所示 能 图3 7 施加张拉力 n 器o q 2 为钢管自重荷载。为保证施加混凝土自重时应力得到控制，张拉水平钢 索，使得拱肋对桥墩的作用力恢复到近似为o 。然后施加贯注混凝土，测得控制 截面的应力，以校核是否在许用应力之内。 ( 三)吊装桥面板时监测 如图3 9 ，3 1 0 所示 第”页共7 9 页 桥墩 3 9 施加张拉力析域 2 0 0 6 浙扛大学硕士学位论文 q 3 为桥面板自重荷载。同样为保证吊装桥面板时应力得到控制，张拉水平 钢索，使得拱肋对桥墩的作用力恢复到近似为0 。然后吊装桥面板，测得控制截 面的应力，以校核是否在许用应力之内。 为综合说明上述监控过程，此处选取跨中控制截面上下表面应变片的变化 过程，如图3 1 l 所示，虚线表示应变片2 ，实线表示应变片5 图3 1 1 跨中控制截面监控过程 3 4 1 试验恒载计算 3 4 试验加载系统设计 拱肋线形j ，= z 1x ( 工一x ) ，y 拱肋高度。这里，假定拱肋的重量是平均分布的， 如果考虑因拱肋的斜度产生的载荷不均匀，计算比较复杂，由于钢管的重量在整个 载荷中只占较小的比例，这样所产生的误差不会对结果有大的影响1 1 1 1 2 1 1 ( 一) 钢管自重 嘲= n 矿= 岛s ，s = 2 石