不銹鋼管混凝土系桿拱橋靜動(dòng)載試驗(yàn)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?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)其進(jìn)行成橋的靜荷載試驗(yàn)，同時(shí)借助橋梁結(jié)構(gòu)專用程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析。通過理論計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求，動(dòng)力特性是否滿足行車安全的需求。試驗(yàn)表明：該結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，且具有良好的動(dòng)力特性。隨著我國(guó)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(qiáng)度高、跨越能力大以及受力形式合理的優(yōu)勢(shì)，在土木工程中的應(yīng)用越來(lái)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(cè)規(guī)范對(duì)其承載能力評(píng)定偏于保守，導(dǎo)致其安全儲(chǔ)備過高，造成經(jīng)濟(jì)的損失和浪費(fèi)。因此，合理評(píng)定不銹鋼管混凝土系桿拱橋的真實(shí)受力性能具有重要意義。

   國(guó)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(jì)規(guī)程，如歐洲的EC4和日本的AIJ，但現(xiàn)階段，國(guó)外關(guān)于不銹鋼管混凝土系桿拱橋的檢測(cè)規(guī)程研究相對(duì)落后于設(shè)計(jì)規(guī)程。國(guó)內(nèi)關(guān)于不銹鋼管混凝土系桿拱橋的設(shè)計(jì)規(guī)程相對(duì)完善，但關(guān)于鋼管混凝土系桿拱橋檢測(cè)規(guī)程的評(píng)定理論及評(píng)定方法尚需進(jìn)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(jì)規(guī)范》和《混凝土設(shè)計(jì)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(duì)該問題的研究仍是國(guó)內(nèi)外橋梁界的熱點(diǎn)問題。本文靜動(dòng)載試驗(yàn)分析以某鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，獲得鋼管混凝土系桿拱橋在動(dòng)靜載作用下控制截面的反應(yīng)實(shí)測(cè)值，并與鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型的理論值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、行車性能以及動(dòng)力特性做出評(píng)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?jiǎn)卧M，吊桿用桁架單元模擬。該橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及設(shè)計(jì)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(jìn)行靜載試驗(yàn)，主要測(cè)試截面包括試驗(yàn)孔跨拱腳處截面、四分點(diǎn)處截面及跨中截面的撓度和應(yīng)變。主要測(cè)試截面位置如當(dāng)結(jié)構(gòu)在最不利的荷載作用下時(shí)，通過對(duì)控制截面內(nèi)的應(yīng)變測(cè)定可以考核其強(qiáng)度是否滿足使用要求。該次控制截面應(yīng)變測(cè)試采用振弦式應(yīng)變計(jì)，搭配智能綜合測(cè)試儀。試驗(yàn)孔主要測(cè)試截面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置斷面示意圖如圖所示。考慮到該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及測(cè)試工況，該次靜載試驗(yàn)，各撓度測(cè)點(diǎn)均布置于拱肋底和梁底。試驗(yàn)孔主要測(cè)試截面的撓度測(cè)點(diǎn)布置斷面示意圖如圖所示。

   根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，并結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，本次試驗(yàn)以設(shè)計(jì)彎矩作為控制彎矩。在試驗(yàn)荷載作用下，各工況試驗(yàn)荷載效率系數(shù)如表所示。靜載試驗(yàn)主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀況進(jìn)行評(píng)定。該次靜載試驗(yàn)各工況的撓度、應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如下。該橋試驗(yàn)孔在不同加載工況下，主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)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(cè)試截面的應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)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(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于規(guī)范允許值1.0，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

   該橋試驗(yàn)孔在不同加載工況下，主要測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)如表所示。系桿拱橋分別在工況荷載作用下，主要測(cè)試截面的撓度實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)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(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于規(guī)范允許值1.0，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。該橋試驗(yàn)孔在工況荷載作用下，主要吊桿索力校驗(yàn)系數(shù)如表所示,主要吊桿索力的實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)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(yàn)系數(shù)均小于1.0，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)內(nèi)力及索力調(diào)整與設(shè)計(jì)相符。動(dòng)力響應(yīng)是橋梁力學(xué)響應(yīng)里一個(gè)重要的特性指標(biāo)。動(dòng)力荷載試驗(yàn)的目的就是通過測(cè)定特定部位在動(dòng)荷載作用下的橋梁變形或應(yīng)力的變化規(guī)律，評(píng)定車輛對(duì)橋梁的沖擊作用，為日后的橋梁運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)管理提供建議。