不銹鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗研究分析

  浙江至德鋼業(yè)有限公司以不銹鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，對其進行成橋的靜荷載試驗，同時借助橋梁結(jié)構(gòu)專用程序?qū)ζ溥M行分析。通過理論計算和試驗實測數(shù)據(jù)的對比分析，驗證該結(jié)構(gòu)的強度、剛度是否滿足設(shè)計要求，動力特性是否滿足行車安全的需求。試驗表明：該結(jié)構(gòu)剛度和強度均滿足設(shè)計要求，且具有良好的動力特性。隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，不銹鋼管混凝土系桿拱橋以其強度高、跨越能力大以及受力形式合理的優(yōu)勢，在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛。由于不銹鋼管混凝土系桿拱橋的受力形式復(fù)雜，基于現(xiàn)有檢測規(guī)范對其承載能力評定偏于保守，導(dǎo)致其安全儲備過高，造成經(jīng)濟的損失和浪費。因此，合理評定不銹鋼管混凝土系桿拱橋的真實受力性能具有重要意義。

   國外關(guān)于不銹鋼管混凝土系桿拱橋理論從形成到發(fā)展已有上百年的歷史，并制定了一系列設(shè)計規(guī)程，如歐洲的EC4和日本的AIJ，但現(xiàn)階段，國外關(guān)于不銹鋼管混凝土系桿拱橋的檢測規(guī)程研究相對落后于設(shè)計規(guī)程。國內(nèi)關(guān)于不銹鋼管混凝土系桿拱橋的設(shè)計規(guī)程相對完善，但關(guān)于鋼管混凝土系桿拱橋檢測規(guī)程的評定理論及評定方法尚需進一步討論。雖然鋼管結(jié)構(gòu)的制造及核心混凝土的澆灌分別符合現(xiàn)行的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《混凝土設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，但并未過多考慮鋼管和混凝土共同受力的特殊性，對該問題的研究仍是國內(nèi)外橋梁界的熱點問題。本文靜動載試驗分析以某鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，獲得鋼管混凝土系桿拱橋在動靜載作用下控制截面的反應(yīng)實測值，并與鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型的理論值進行對比分析，對結(jié)構(gòu)剛度、強度、穩(wěn)定性、行車性能以及動力特性做出評定。

   采用橋梁結(jié)構(gòu)專用程序建立不銹鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型，其中橋面板和拱肋用一般梁單元模擬，吊桿用桁架單元模擬。該橋結(jié)構(gòu)計算模型及設(shè)計荷載效應(yīng)包絡(luò)圖如圖所示。不銹鋼管混凝土系桿拱橋進行靜載試驗，主要測試截面包括試驗孔跨拱腳處截面、四分點處截面及跨中截面的撓度和應(yīng)變。主要測試截面位置如當結(jié)構(gòu)在最不利的荷載作用下時，通過對控制截面內(nèi)的應(yīng)變測定可以考核其強度是否滿足使用要求。該次控制截面應(yīng)變測試采用振弦式應(yīng)變計，搭配智能綜合測試儀。試驗孔主要測試截面的應(yīng)變測點布置斷面示意圖如圖所示。考慮到該橋的結(jié)構(gòu)特點及測試工況，該次靜載試驗，各撓度測點均布置于拱肋底和梁底。試驗孔主要測試截面的撓度測點布置斷面示意圖如圖所示。

   根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的規(guī)定，并結(jié)合本項目實際情況，本次試驗以設(shè)計彎矩作為控制彎矩。在試驗荷載作用下，各工況試驗荷載效率系數(shù)如表所示。靜載試驗主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)對結(jié)構(gòu)工作狀況進行評定。該次靜載試驗各工況的撓度、應(yīng)變測試結(jié)果如下。該橋試驗孔在不同加載工況下，主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)如表所示。系桿拱橋分別在工況和工況荷載作用下，主要測試截面的應(yīng)變實測值與理論值的對比曲線圖如圖所示。由表可知，系桿拱橋在不同荷載工況作用下，各測點應(yīng)變校驗系數(shù)均小于規(guī)范允許值1.0，說明其結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

   該橋試驗孔在不同加載工況下，主要測點撓度校驗系數(shù)如表所示。系桿拱橋分別在工況荷載作用下，主要測試截面的撓度實測值與理論值的對比曲線圖如圖所示。由表可知，系桿拱橋在不同加載工況下，各測點撓度校驗系數(shù)均小于規(guī)范允許值1.0，說明其結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。該橋試驗孔在工況荷載作用下，主要吊桿索力校驗系數(shù)如表所示,主要吊桿索力的實測值與理論值的對比曲線圖如圖所示。由表可知，系桿拱橋在荷載工況作用下，索力校驗系數(shù)均小于1.0，說明其結(jié)構(gòu)內(nèi)力及索力調(diào)整與設(shè)計相符。動力響應(yīng)是橋梁力學(xué)響應(yīng)里一個重要的特性指標。動力荷載試驗的目的就是通過測定特定部位在動荷載作用下的橋梁變形或應(yīng)力的變化規(guī)律，評定車輛對橋梁的沖擊作用，為日后的橋梁運營及養(yǎng)護管理提供建議。