桥梁工程中承式拱梁组合体系桥动静载试验

PAGEPAGEPAGE11中承式拱梁组合体系桥静动载试验研究一、工程概况某桥全长365.2m，其中主桥为30+80+30m的三跨预应力混凝土中承式梁拱组合式桥；两侧引桥各为7孔16m后张法预应力空心简支板梁，长度为112.60m。。桥面宽度：0.80m（加劲梁）+0.25m（栏杆）+11.5m（车行道）+0.25m（栏杆）+0.80m加劲梁）=13.6m，设计荷载：汽—20，验算荷载：挂—100。主跨拱轴线采用二次抛物线，矢跨比1/f=1/4。拱肋尺寸：b×h=100×180cm,桥面以下为矩形，其余为工字形。加劲梁尺寸：b×h=100×144cm带臂0.25m矩形梁。加劲梁及拱肋间横梁，边跨间距为6m，中跨间距为6.15或6.175m。横梁上铺设桥面板厚为30cm，现浇接头成连续板，其中中板为预制混凝土空心板，边板为现浇混凝土实心板，横梁为预制肋与桥面板的现浇接头形成组合截面，跨中高度h=130cm（包括铺装，主桥桥面铺装为厚6～12cm的30号钢纤维混凝土），拱肋间在桥面上设6根上风撑，桥面以下设下风撑，靠近桥墩第一个节间左右，各设斜撑，以保证转体施工时的稳定性。拱与加劲梁间在桥面以下设立柱，桥面上设吊杆，短立柱做成下端铰接，施工时应特别注意，立柱下端与主墩只有柱钢筋伸入连接，混凝土用油毛毡隔离层隔开。吊杆用6Φ17钢丝组成的厂制品索。钢丝标准强度为1670MPa，吊杆锚具冷铸为配套产品。拱肋处为张拉端，纵梁端为固定端。加劲梁配置预应力筋，预应力束系采用标准为ASTM416-90a(270k)7Φ15.24的高强度低松驰钢铰线，标准强度为Ryb=1860MPa，设计控制应力采用σk=0.75Ryb=1395MPa。二、桥梁结构分析计算静力计算时采用杠杆法考虑荷载的横向分布将空间两片拱简化为平面一片拱肋，然后用有限单元法进行各种内力的计算和分析。动力计算采用大型通用程序ANSYS9.0进行空间有限元分析。ANSYS9.0模型有空间节点6788个，划分各类单元5826个。桥面板用SHELL181单元模拟，有2898个单元；墩台用SOLID45单元模拟，有个1760单元；吊杆用LINK10单元模拟，有20个单元；拱肋，加劲梁，横梁，立柱，风撑以及两边踌平衡重都用BEAM188单元模拟，有1158个单元。三、荷载试验方案3.1静载试验3.1.1静载试验测试检测内容中跨和一侧边跨的跨中及四分点主要截面（包括加劲梁及拱肋）的挠度以及拱脚截面的水平位移；中跨和一侧边跨的跨中及四分点主要截面（包括加劲梁及拱肋）和拱脚等主要截面部位的应变或应力；典型横梁跨中及四分点截面的应变或应力以及挠度；试验跨吊杆外包钢管的应力（索力受外包钢管的限制无法观测）；在试验荷载下，可能展开的裂缝及裂缝展开的宽度和长度。3.1.2测试截面及测点布置选取如图1所示的Ⅰ-Ⅰ~Ⅻ-Ⅻ十二个截面作为主要的测试截面，其中Ⅰ-Ⅰ~Ⅷ-Ⅷ八个截面为拱肋的主要测试截面，在各截面的上下缘均布贴应变片（除一个主跨四分点截面），在Ⅵ-Ⅵ、Ⅶ-Ⅶ、Ⅷ-Ⅷ、Ⅹ-Ⅹ、Ⅺ-Ⅺ、Ⅻ-Ⅻ截面的上缘装置全站仪十字丝，在Ⅳ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅲ截面的内侧装置位移计测试拱脚的水平位移；选取Ⅰ-Ⅰ截面右侧3米处的横梁作为试验研究对象，在横梁的中跨和四分点布贴应变片，在横梁测试截面的下缘装置百分表测读各截面的挠度。图1各测试截面总布置图(图中单位：m)3.1.4试验荷载及加载试验效率试验时模拟相应设计荷载产生的内力效应较大的值布置加载，桥上试验荷载一般采用汽车加载，其中单辆车总重300KN(前轴重60KN,中后轴重240KN，前中轴距330cm，中后轴距135cm)。加载试验效率按规范要求控制在0.85~1.05。3.2动载试验3.2.1动载试验测试检测内容①环境脉动试验；②在不同车速的移动荷载下，拱肋跨中和四分点截面关键点的振动响应；③在跳车荷载下，拱肋跨中和四分点截面关键点的振动响应和结构的自振频率。3.2.2测点布置在图2所示的边跨Ⅴ-Ⅴ、Ⅵ-Ⅵ截面和中跨的Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面的相关部位安装加速度传感器各截面的具体测点布置见图2。a）（Ⅰ-Ⅰ截面）b）（Ⅱ-Ⅱ截面）c）（Ⅵ-Ⅵ、Ⅶ-Ⅶ截面）图2动力测试测点布置图3.2.3试验荷载与加载程序⑴跑车试验一辆试验车分别以5、10、20、30、40km/h的速度匀速行驶于主桥上，分别记录每一车速下测试截面各测点的动态响应。⑵跳车试验使一辆车分别于中跨和边跨的跨中处，以后轮缓缓越过15cm左右的锲形体枕木，此时后轮将有瞬时冲击作用于桥面，使结构产生带有附加质量（试验）车的自由振动，同时测量记录各测点的振动响应。跳车载位平面图如图3。图3跳车载位平面图(图中单位：m)4、荷载试验结果4.1挠度挠度试验结果与理论值比较见表1。各工况最大一级荷载下控制截面实测挠度、残余挠度及与理论值的比较表1工况测试截面测点位置试验总挠度Stt(mm))试验弹性挠度SSe(mmm)试验残余挠度SSp(mmm)理论计算挠度SSs(mmm)相对残余挠度Sp/Stt*1000%校验系数Se//Ss工况一I－I东2.662.6603.9800.67西2.062.0603.0600.67工况二II－II东0.810.8102.3700.34西0.690.6902.5500.27工况三Ⅲ－Ⅲ水平向东0.010.0100.0101西0.030.0300.0800.38工况四Ⅳ－Ⅳ水平向东0000.03--0西0.050.0500.1400.36工况五Ⅴ－Ⅴ东1.21.202.8300.42工况六Ⅵ-Ⅵ东6.260.28.763.220.68西2.32.305.8400.39工况七Ⅶ－Ⅶ东3.73.704.2500.87西1.51.502.0300.74工况八中点3.413.4104.400.78四分点（东）2.952.9504.0100.734.2应力应力试验结果与理论值比较见表2及表3。各工况最大一级荷载下控制截面实测应力与理论值的比较表2加截工况测试截面及位置置测点位置实测应力（Mppa）理论应力（Mppa）校验系数工况一Ⅰ—Ⅰ拱肋顶缘-0.314-0.4260.737拱肋底缘0.9511.0520.904工况二Ⅱ—Ⅱ拱肋顶缘-2.354-3.3450.704拱肋底缘1.9542.6930.726工况三Ⅲ—Ⅲ拱脚顶缘-0.012-0.0140.857拱脚底缘0.0890.1290.69工况四Ⅳ—Ⅳ加劲梁顶缘-0.098-0.1080.907加劲梁底缘-0.098-0.1080.907工况五Ⅴ—Ⅴ拱肋顶缘0.4960.7460.665拱肋底缘-0.992-1.3730.723工况六Ⅵ-Ⅵ拱肋顶缘-2.541-2.6280.967拱肋底缘1.9742.0410.967加劲梁顶缘-2.165-2.1760.995加劲梁底缘1.9812.690.736工况七Ⅶ－Ⅶ拱肋顶缘-0.951-1.9410.49拱肋底缘0.7250.7680.944加劲梁顶缘-1.214-1.4160.857加劲梁底缘1.0262.0490.501工况八中点上缘-0.345-0.5390.64下缘1.6913.0980.546四分点上缘-0.414-0.6120.676下缘1.1981.8540.646吊杆外钢管的实测应力与理论应力比较表3加截截面测试截面及位置置实测应力理论应力校验系数Ⅳ—Ⅳ吊杆中间位置0.1580.2090.7560.1580.2090.7560.1580.2090.7560.1580.2090.756Ⅴ—Ⅴ吊杆中间位置8.97510.7890.83210.01410.7890.9289.54110.7890.8849.68410.7890.898Ⅵ-Ⅵ吊杆中间位置5.6848.9050.6385.6748.9050.6376.0648.9050.6815.8428.9050.656Ⅶ－Ⅶ吊杆中间位置1.9632.7780.7072.0312.7780.7312.142.7780.771.9572.7780.7054.3裂缝展开情况在加载过程中及各控制截面最后一级荷载作用下，所有截面均未出现新的裂缝，试验前已有的裂缝也未开展。4.4动力特性及动载试验结果试验孔跨前四阶固有频率的理论值和实测值的比较见表4。通过现场实测，结果表明理论与实测的前几阶频率吻合较好，第一阶频率实测值相对高于理论值，说明实际刚度比理论大，偏安全，所以测试结果是可靠的。环境脉动和跳车试验实测时间波形和频谱分析分别见图4～图5。前四阶固有频率的理论值和实测值的比较表4频率（Hz）第一阶第二阶第三阶第四阶理论值0.681.451.742.95实测值0.791.371.772.94a)时间波形图b)频谱图图4环境脉动下实测时间波形及频谱分析图a)时间波形图b)频谱图图5跳车实测时间波形及频谱分析图5、评价结论及建议通过对现场静动荷载试验结果的分析得知：（1）从表1可以看出：在各工矿下，加载测试截面的实测挠度均小于理论计算挠度，校验系数都在0.87以内。中跨跨中截面最大实测挠度为4.9mm，小于理论计算挠度值5.53mm；边跨跨中截面的最大实测挠度为2.66mm，小于按理论计算挠度值3.98mm；典型横梁最不利载位时，加载测试截面的最大实测挠度为3.41mm，小于理论计算挠度值4.4mm。所有实测挠度相对桥跨比均小于《桥规》规定的L/800，说明该桥的纵向刚度达到设计和规范的刚度要求,且有一定的安全储备。测试结果还表明：测试跨桥梁各主要测试截面的相对残余挠度较小，卸载后能迅速回弹，说明该试验桥跨具有较好的弹性工作性能。（2）从表2～3可以看出：每一级荷载分别作用于各截面最不利载位时，测试截面混凝土测点的实测应力绝大部分小于理论计算应力，校验系数基本都在在1.00之内。主要实测数据和校验系数如下：中跨跨中截面四辆车加载时截面加劲梁底板混凝土最大拉应力1.026MPa，校验系数为0.501,加劲梁顶板混凝土最大压应力为1.214MPa，校验系数为0.857；拱肋顶缘混凝土最大压应力为0.952，校验系数为0.49，拱肋底缘拉应力为0.736，校验系数为0.961。边跨跨中截面四辆车加载时加劲梁底板混凝土最大拉应力0.851MPa，校验系数0.894，加劲梁顶板混凝土最大压应力为0.345MPa，校验系数为0.894。典型横梁上缘混凝土实测最大压应力为0.414MPa，校验系数为0.676,典型横梁下缘混凝土实测最大拉应力为1.691MPa，校验系数为0.546。中跨东侧最北边吊杆外钢套筒的最大实测应力为10.014MPa，校验系数为0.928。从以上数据可以看出各测试截面混凝土测点的实测应力均小于理论计算应力，混凝土的弹性工作正常。（3）加载过程中，各控制截面荷载作用下，均