重庆石板坡长江大桥复线桥钢_混凝土接头模型静载与疲劳试验研究

1、重庆石板坡长江大桥复线桥钢-混凝土接头模型静载与疲劳试验研究田军伟1,郑罡1,唐光武1,陈江华1,2(1.重庆交通科研设计院,重庆400067;2.重庆交通大学,重庆400074摘要:重庆石板坡复线桥在连续刚构桥中首次实现330m的跨径,钢-混凝土接头的采用,在世界同类型桥梁设计中也属首次。由于设计的安全合理至关重要,所以通过理论与试验分析来检验钢-混凝土接头结构设计的合理性,验证设计计算理论和方法的正确性。该试验研究成果为钢-混凝土接头在同类桥型中推广使用积累了试验资料和科学依据。关键词:钢混凝土接头;疲劳试验;静载;模型试验文章编号:1009-6477(200702-0113-05中图分类

2、号:U448.23文献标识码:ARe search on Static Load and Fatigue Te st for Steel-concrete Connector Model on New Chongqing Shibanpo Y angtze River BridgeTian Junwei1,Zhen Gang1,Tang Guangwu1,Chen Jianghua1,2Abstract:F or the first time in continuous rigid frame bridges,new Chongqing Shibanpo bridge has adopted

3、330m span,and the use of steel-concrete connector is als o a first in similar bridge designs in the w orld. Therefore the safety and rationality in design is critical.Through theoretical and experimental analysis,this paper testifies the design of rationality of steel-concrete connector structure,an

4、d verifies the correctness of designcom puting theories and methods.In the same time,it accumulates test data and scientific basis for prom oting application of steel-concrete connector in similar bridges,the test and research results will provide basis for both design and construction.K ey w ords:s

5、teel-concrete connector;fatigue test;static load;m odel test重庆石板坡大桥复线桥为特大跨径连续刚构桥,桥跨布置为87.75m+4×138m+330m+ 133.75m。为改善原通航孔净空高度不足的问题,复线桥主跨采用钢混组合式刚构-连续组合梁桥,中间108m采用钢箱梁结构,两端为混凝土梁,在连续刚构桥中首次实现330m的跨径,钢-混凝土接头的采用在世界同类型桥梁设计中也属首次。虽然近年来在国内外应用不同材料节段组合的桥梁比较多,但从统计资料上看,混合梁多用于斜拉桥,较少用于其它形式桥梁。所以,对连续刚构体系中钢-混凝土接头进

6、行试验研究对国内外大跨径桥梁的发展也具有积极的作用。1钢-混凝土接头构造设计基本情况石板坡长江大桥复线桥钢板和混凝土结合部位采用了填充混凝土后板式的钢-混凝土接头(图1。通过将钢箱梁端部的顶板、底板和腹板做成双壁板,将填充的混凝土与紧邻的混凝土箱梁段的顶板、底板和腹板通过P BL剪力键、预应力钢筋、普通钢筋等得到很好的连接,再稍往前延伸将其与混凝土横隔板连接,预应力短束钢筋锚固在混凝土箱梁的横隔板和钢箱梁的横隔板上,预应力长束钢筋锚固在混凝土横隔板后梁段的顶板、底板的齿块上。钢-混凝土接头之间的内力主要通过承压板、P BL剪力键及钢-混凝土间的粘结摩阻力等3种途径来传递。这3种途径对压应力、拉

7、应力和剪应力等应力的传力机理各不相同。承压板及P BL剪力键的传力作用最为主要,而钢-混凝土间的粘结摩阻力由于缺少理论及经验数据而难以把握。因此,通常认为内力主要通过承压板和P BL剪力键来完成,钢-混凝土间的粘结摩阻力只作为连接途径的安全余量来看待。公路交通技术2007年4月第2期T echnology of Highway and T ransportApr.2007N o.2收稿日期:2006-12-30 图1石板坡长江大桥复线桥钢-混凝土接头2钢-混凝土接头的疲劳荷载本试验确定选取英国BS5400中的标准疲劳车进行实桥钢-混凝土接头疲劳荷载计算,并根据累积损伤等效原则将标准疲劳车的疲劳

8、荷载转换为200万次等幅疲劳荷载,再按照相似关系换算得到模型钢-混凝土接头的疲劳荷载。通过累积损伤等效计算得实桥钢-混凝土接头弯矩200万次疲劳弯矩为33616kN m ,疲劳试验剪力荷载为1484kN 。根据11的应力相似关系,可得试验模型200万次疲劳试验弯矩荷载为2101kN m ,疲劳试验剪力荷载为186kN 。3钢-混凝土接头大比例尺相似模型设计和制作3.1试验方案设计由于实桥钢混接头尺寸较大,横桥向达19m ,如果取整个箱梁进行12相似模型试验,则模型横向尺寸达9.5m 。同时,模型的静载弯矩超过20000kN m 和剪力超过3000kN ,这个尺度和加载要求的模型试验在国内现有的

9、试验室均很难进行。因此,经过多次专家论证,试验采用几何相似比12的对称工字型钢混凝土结合梁作为钢-混凝土接头试验模型(图2,但原型展翼箱型梁的12为不对称工字梁,其对称边界条件的模拟存在困难和不安全因素。因此,将不对称工字梁调整为对称工字梁,模型顶板和底板几何尺寸需进行调整,模型弯矩和剪力亦略有变化,如表1所示。3.2模型相似比(表14试验模型钢-混凝土接头三维有限元分析钢混凝土接头三维有限元模型建立中, 共采用图2模型试验加载方式示意表1模型理论相似比和实际相似比类别几何尺寸弹性模量应力应变弯矩剪力轴力细节构造理想模型121111111161818满足实际模型123111111116.921

10、8.1618.16基本满足注:模型腹板几何尺寸严格满足12相似,但原型为不对称工字梁,相似模型为对称工字梁,因此,顶板和底板的几何尺寸、整个截面的弯矩和剪力、构造细节均有所调整。411公路交通技术2007年2类单元。其中3维20节点S O LI D95实体单元模拟混凝土和预应力钢筋,8节点SHE LL93单元模拟钢板。整个模型共分284477个单元和765388个节点。单元材料属性:混凝土的弹模为3.6e10(Pa ,泊松比为0.17;钢板的弹模为2.1e11(Pa ,泊松比为0.3;预应力钢筋的弹模为1.9e11(Pa 。模型三维视图如图36所示 。图3模型整体(12 三维视图图4模型钢混凝

11、土接头(12 三维视图图5模型钢混凝土接头钢结构(12 三维视图图6模型钢混凝土接头混凝土结构(12三维视图5试验工况分析研究和设计由于荷载组合工况较多,如分别进行各种不利组合的荷载工况会使试验过于复杂,并带来3方面的不利影响:(1试验研究进度会受到严重不利影响;(2试验风险会因加载工况过多大大增加;(3试验过程和结果内容会太过繁复,并将增加研究成果应用推广的难度。但为达到试验研究目的,又必须进行重要的荷载组合工况。因此,针对钢-混凝土接头的受力特点和试验检验的目的,课题组经认真研究,将钢-混凝土接头试验工况分为基本静载、承载能力、超载能力等3类共7个工况。其中,除工况I V 为疲劳试验工况外

12、,其余6个工况均为静载试验工况,如表2和表3所示。6模型钢-混凝土接头静载试验加载制度(1在正式加载前,应取该工况荷载的10%进行试加载,以检验试验设备、仪器和试件是否能正常工作,并做好相应记录;(2正式加载时,应对所加荷载进行分级加载,特别是当有多个荷载同时施加时,应使各荷载按相同比例分级加载;(3进行分级加载时,一般应按该工况荷载的40%,70%,85%,95%和100%分5级进行加载,每级加载应持荷一定时间,待数据稳定;(4在发生如下异常情况时,应中途终止加载:控制测点应变或变形超过事先确定的阈值;试件裂缝长度、宽度增加过快,新裂缝大量出现,或缝宽超过允许值的裂缝大量增多;发生其它情况,

13、影响结构正常受力时;试验中出现异常声、光、电现象或其它异常现象。5112007年第2期田军伟,等:重庆石板坡长江大桥复线桥钢-混凝土接头模型静载与疲劳试验研究表2模型钢-混凝土接头区段加载工况工况编号工况名主要检验项目基本静载恒载自重和预应力效应使用极限状态负弯矩使用极限状态抗负弯矩性能使用极限状态正弯矩使用极限状态抗正弯矩性能承载能力疲劳荷载疲劳弯剪性能承载能力极限状态负弯矩承载能力极限状态抗负弯矩性能承载能力极限状态正弯矩承载能力极限状态抗正弯矩性能超载正弯矩超载承载能力抗正弯矩超载性能表3模型钢-混凝土接头试验加载内力项目半12模型轴力kN纵向剪力kN纵向弯矩(kNm恒载-1867884

14、0-3438使用极限负弯矩-197101228-5140使用极限正弯矩-188927815021疲劳试验平均值-17233832-1511疲劳幅01862101荷载谱-17233832±931511±1051承载能力极限负弯矩-4949998-5390承载能力极限正弯矩-692035410287正弯矩超载35%-6920478138877模型钢-混凝土接头疲劳荷载加载要求试验前首先对模型加一小变形静力荷载,并确定模型的初始侧向刚度,之后施加恒载,最后施加周期等幅疲劳荷载。观察试件整体锚固情况,看其是否有横向位移,检查钢绞线轴力变化情况,并观察试件各部位应变、试件轴向力变化情

15、况,从而判断是否有异常情况发生。检查荷载加载后无异常即可进行疲劳试验,采用正弦波荷载,试验荷载的上下限值以及加载次数,根据实桥预测交通量和车辆荷载等级,按疲劳线性累积损伤法确定。疲劳试验每加载20万次,应停机测试模型轴向力以及所有应力,并随时观测试件的受力和变形情况,观察有无裂缝发生以及裂缝的发展情况,并做好记录。8试验测试内容8.1试验测试和观察的内容(1荷载测试;(2模型梁重要截面的钢筋应变、钢板应变、混凝土应变;(3梁端位移;(4接头处是否出现裂缝,如有裂缝,记录其发展和分布情况;(5钢板与混凝土的脱空检测;(6P BL板横向贯穿钢筋的破坏检测。8.2试验测试仪器和方法荷载测试:作动器荷

16、载采用设备自带的测力传感器,预应力筋所加预应力或荷载采用穿心式压力计测试,并在加载过程中与加载千斤顶油压表所得预应力相互校核。钢结构应变测试:对于钢-混凝土接头的钢板外表面、钢梁段、混凝土梁段,应变测试采用电阻应变计法,按虎克定律求得相应的应力。混凝土和普通钢筋应变测试:采用电阻应变计测试混凝土表面应力,采用振弦式应变计测量混凝土内部应力。采用振弦式应变计或钢筋应变计测定普通钢筋应力。位移测试:在梁端通过作动器位移传感器进行测试。裂纹测试:采用数字显微镜测读裂纹宽度,重点检查钢-混凝土结合段。P BL板横向贯穿钢筋的破坏检测:通过贯穿钢筋上的应变计检测。疲劳试验中的检测:疲劳荷载试验对已完成基

17、611公路交通技术2007年表4电阻应变片各测点计算值和测试值比较(使用极限负弯矩编号部位板件区段横桥箱位方向材料应变计算测试差值106顶板接头下游外侧顺桥钢板7365-8 103顶板接头上游外侧顺桥钢板3326-7 112顶板混凝土段下游外侧顺桥混凝土4338-6 111顶板接头下游外侧顺桥钢板3328-5表5电阻应变片各测点计算值和测试值比较(使用极限负弯矩编号部位板件区段横桥箱位方向材料应变计算测试差值45底板接头下游外侧顺桥P BL-32-39-7 44底板接头下游外侧135度P BL-15-17-2 43底板接头下游外侧竖上P BL990 31顶板接头上游外侧顺桥P BL25261表

18、6振弦式应变计各测点计算值和测试值比较(使用极限负弯矩编号部位板件区段横桥箱位方向材料应变计算测试差值200338底板接头上游外侧横桥钢筋1104-6 200301顶板接头上游外侧顺桥钢筋22822-6 200336顶板混凝土段下游外侧顺桥钢筋23833-5 200274底板接头下游外侧横桥钢筋153-2注:钢筋1指横向贯穿钢筋,钢筋2指纵向受力钢筋。本静载试验的试件进行试验,即疲劳荷载试验的模型与静载试验模型是同一个模型,其测试内容和方法与前述内容其本相同。同时,疲劳试验每进行20万次循环荷载后,应停机进行检测和观察。9荷载试验结果(1静载试验结果表明在设计使用极限状态正弯矩、负弯矩,承载能力极限状态正弯矩、负弯矩下,重庆石板坡长江大桥加宽改造工程正桥钢-混凝土接头半12强度模型处于线弹性工作状态,钢结构、混凝土结构以及钢-混凝土接头均未出现可见裂缝