钢管混凝土拱桥技术研究

钢管混凝土拱桥技术研究钢管混凝土拱桥技术研究目目录录一、一、概述概述 二、二、试验目的试验目的 三、三、试验模型设计试验模型设计 四、模型卸载及加固处理四、模型卸载及加固处理五、五、试验荷载试验荷载六、六、试验内容及加载工况试验内容及加载工况 七、七、测试内容及方法测试内容及方法 八、徐变引起的钢管混凝土结构应力重分布理论研究八、徐变引起的钢管混凝土结构应力重分布理论研究 九、试验进程九、试验进程十、主要试验结果及分析十、主要试验结果及分析一、概一、概述述南县茅草街大桥主桥是一座南县茅草街大桥主桥是一座三跨连续自锚中承式钢管混凝土系三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥杆拱桥，跨径布置为，跨径布置为80+368+80m80+368+80m，中跨，中跨矢跨比矢跨比f/L=1/5f/L=1/5，边跨，边跨矢跨比矢跨比f/L=1/8.5f/L=1/8.5，桥面宽桥面宽16m16m。主拱圈采用桁式断面，由四根主拱圈采用桁式断面，由四根100cm100cm钢管组成，钢管内填钢管组成，钢管内填C50C50混凝土，形成钢管混凝土组合桁式截面。混凝土，形成钢管混凝土组合桁式截面。主跨拱轴线采用悬链线，拱轴系数主跨拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.543m=1.543。截面高度由拱。截面高度由拱脚的脚的8m8m高变化至拱顶的高变化至拱顶的4m4m高，肋宽高，肋宽3.2m3.2m。吊杆间距。吊杆间距8m8m。上弦管（内注C50混凝土）下弦管（内注C50混凝土）（吊杆处）平联管（内注C50混凝土）腹杆联结系（吊杆处）二、试验目的二、试验目的 茅草街大桥规模很大，主跨跨径在同类型桥梁中居国内领先水平，结茅草街大桥规模很大，主跨跨径在同类型桥梁中居国内领先水平，结构受力复杂。平面和空间计算结果均表明：拱顶截面附近受力较大，钢管构受力复杂。平面和空间计算结果均表明：拱顶截面附近受力较大，钢管应力水平偏高。为应力水平偏高。为找出钢管混凝土结构的内在受力规律，把握其应力分布找出钢管混凝土结构的内在受力规律，把握其应力分布规律，为施工图设计提供必要的参数和数据规律，为施工图设计提供必要的参数和数据，有必要对受力较大应力水平，有必要对受力较大应力水平较高的拱顶区域进行高性能钢管混凝土受力特性分析及模型试验研究，以较高的拱顶区域进行高性能钢管混凝土受力特性分析及模型试验研究，以确保结构安全，并为同类型桥梁结构提供借鉴确保结构安全，并为同类型桥梁结构提供借鉴。上弦管（100024mm）下弦管（100018mm）腹杆（55010mm）联结系（t=10mm，吊杆处）（吊杆处）平联管（65016mm）（非吊杆处）平联管（65010mm）三、试验模型设计三、试验模型设计模型设计的整体思路是：从整体结构中取出主跨拱顶区域约模型设计的整体思路是：从整体结构中取出主跨拱顶区域约2424米米长作为隔离体，将隔离体截面的内力作为模型的力学边界条件，通过水长作为隔离体，将隔离体截面的内力作为模型的力学边界条件，通过水平平行钢丝及竖向钢绞线采用千斤顶进行加载，从而保证拱顶节段的应平平行钢丝及竖向钢绞线采用千斤顶进行加载，从而保证拱顶节段的应力、变形状态与实桥一致。力、变形状态与实桥一致。四台水平千斤顶锚固于地槽锚固于地槽锚固于地槽三台竖向千斤顶1 1、模型相似比、模型相似比 ：1 1：5 52 2、模型材料选择、模型材料选择 ：钢和混凝土，钢和混凝土，材料弹模相似比为材料弹模相似比为1:11:1 加载端板置于台座上3 3、模型与实桥各物理量的相似关系、模型与实桥各物理量的相似关系 在确定几何和材料相似比之后，以相似原理为依据进行模型设计。在确定几何和材料相似比之后，以相似原理为依据进行模型设计。模型制作和加载布置严格按此表理论相似比进行设计。项目 几何尺寸 弹模E 面积A惯矩I抵抗矩W集中荷载分布荷载材料密度应力应变变形相似关系 1/5 1/11/251/6251/1251/251/55/11/11/11/54 4、模型结构设计、模型结构设计 按上表所列理论相似关系来设计模型各主要尺寸按上表所列理论相似关系来设计模型各主要尺寸 ，见下表。，见下表。比较 项目实 桥模 型备注材料管径(mm)壁厚(mm)材料管径(mm)壁厚(mm)上弦管Q235c10002416Mn2004.58内注C50砼下弦管183.88腹 杆A3钢55010A3钢1102平联管吊杆处A3钢65016A3钢1303内注C50砼非吊杆处650101302联结系上A3钢21310A3钢422中35110702下21310422吊杆外套钢管A3钢21310A3钢422模型试验的总体布置图模型试验的总体布置图立 面侧 面 上、下弦管为结构主要受力构件，实桥主拱圈上、上、下弦管为结构主要受力构件，实桥主拱圈上、下弦管分别采用壁厚下弦管分别采用壁厚24mm24mm和和18mm18mm，直径为，直径为1000mm1000mm的圆钢的圆钢管，管内填管，管内填C50C50混凝土。混凝土。按相似原理和实际材料，模型上、下弦管壁厚分别按相似原理和实际材料，模型上、下弦管壁厚分别采用采用4.8mm4.8mm和和3.6mm3.6mm，直径，直径200mm200mm的圆钢管。的圆钢管。实际模型上、下弦管壁厚分别采用实际模型上、下弦管壁厚分别采用4.58mm4.58mm和和3.88mm3.88mm，直径，直径200mm200mm的圆钢管。的圆钢管。钢管的制作钢管的制作 模型所有钢管均采用钢板卷曲焊接模型所有钢管均采用钢板卷曲焊接成管。其中上、下弦管分三段钢管制作，成管。其中上、下弦管分三段钢管制作，然后将三段焊接成长然后将三段焊接成长4.8m4.8m的长钢管。将的长钢管。将此长钢管按每隔此长钢管按每隔0.4m0.4m依据上（下）弦管依据上（下）弦管的弧度放样经大型微弯机预热微弯成弧的弧度放样经大型微弯机预热微弯成弧形钢管。形钢管。其它构件（腹杆、平联管及联结系）其它构件（腹杆、平联管及联结系）均一次由钢板焊接成管。均一次由钢板焊接成管。5 5、模型制作、模型制作管内混凝土的浇注管内混凝土的浇注拱圈安装好后，在加载板附近拱圈拱圈安装好后，在加载板附近拱圈位置每根钢管开一个位置每根钢管开一个6cm6cm大的孔，灌入大的孔，灌入自流密实混凝土形成钢管混凝土。配自流密实混凝土形成钢管混凝土。配合比由试验确定，采用合比由试验确定，采用525525#普通硅酸盐普通硅酸盐水泥，用粒径水泥，用粒径2cm2cm的碎石和中等粒度的碎石和中等粒度的河砂作为骨料，并掺入混凝土外加的河砂作为骨料，并掺入混凝土外加剂以提高混凝土的性能。剂以提高混凝土的性能。节段试验模型全貌节段试验模型全貌四、试验模型卸载及加固处理四、试验模型卸载及加固处理 在在20042004年年4 4月月3 3日，课题组对模型进行日，课题组对模型进行超承载能力超承载能力试验，但由于加试验，但由于加载挡板发生较大变形，故试验中止。后来课题组针对加载挡板进行了载挡板发生较大变形，故试验中止。后来课题组针对加载挡板进行了加固。加固。在加载挡板侧面各焊在加载挡板侧面各焊一块厚一块厚20mm20mm的钢板的钢板五、试验荷载五、试验荷载 1 1、结构自重荷载、结构自重荷载 从从相相似似关关系系分分析析可可知知，材材料料密密度度的的相相似似常常数数（=5）很很大大，模模型型材材料料不不可可能能有有这这么么大大的的容容重重，对对于于静静力力模模型型，密密度度的的大大小小主主要要影影响响结结构构自自重重，因因此此，可以采用可以采用配重配重的方法来模拟。配重量为结构自重的的方法来模拟。配重量为结构自重的4 4倍。倍。项目项目上弦管上弦管(两根两根)下弦管下弦管(两根两根)板厚板厚(mm)4.583.88钢管每延米重钢管每延米重G1(kN/m)20.232020.1972钢管内砼每延米重钢管内砼每延米重G2(kN/m)20.743720.7594密度相似比密度相似比5:15:1空钢管每米配重空钢管每米配重(kN)420.232420.1972钢管砼每米配重钢管砼每米配重(kN)420.7437420.75941:4杠杠杆加杆加载系载系统统空钢管每米配重空钢管每米配重(kN)20.232020.1972四根空钢管每点配重四根空钢管每点配重(kN)0.4120钢管砼每米配重钢管砼每米配重(kN)20.975720.9566四根钢管砼每点配重四根钢管砼每点配重(kN)1.8550 配重根据各主要构件荷载传递的路径相同来进行布置，应尽量配重根据各主要构件荷载传递的路径相同来进行布置，应尽量使构件在配重后符合实际的受力特点，同时考虑到本次模型结构使构件在配重后符合实际的受力特点，同时考虑到本次模型结构配重的方便性，拟在拱圈钢管位置竖向配重来实现。配重的方便性，拟在拱圈钢管位置竖向配重来实现。2、活载内力、活载内力由设计院提供的内力结果，经相似关系换算而得。由设计院提供的内力结果，经相似关系换算而得。模型设计中采用模型设计中采用1:41:4杠杆系统加载。杠杆系统加载。拱圈共分拱圈共分10个点进行配重。每点配重个点进行配重。每点配重175kg（挂篮自重（挂篮自重0.5kg）。）。六、试验内容及工况六、试验内容及工况 1 1、试验内容、试验内容A A、模型材料性能试验、模型材料性能试验 包包括括钢钢材材的的抗抗拉拉压压强强度度，弹弹性性模模量量；混混凝凝土土的的抗抗拉拉压压强强度度，弹弹性性模模量量的的测试，以及容重和泊松比的测试等。测试，以及容重和泊松比的测试等。前期还须对相关仪器设备进行测试标定。前期还须对相关仪器设备进行测试标定。B B、应力、变形测试、应力、变形测试 对对节节段段模模型型在在空空钢钢管管状状态态、成成桥桥状状态态、正正常常使使用用及及承承载载能能力力极极限限状状态态下下的应力及变形状态、截面应力分布规律及超载下的结构性能进行试验。的应力及变形状态、截面应力分布规律及超载下的结构性能进行试验。2 2、试验工况、试验工况根据茅草街大桥的施工过程划分及该桥受力特点根据茅草街大桥的施工过程划分及该桥受力特点 ，确定本次模型，确定本次模型试验分试验分6 6种工况：种工况：工况工况试验内容试验内容备备 注注1 1空钢管受力状态空钢管受力状态模拟主拱圈钢管吊装完毕后，空钢管受力研究。模拟主拱圈钢管吊装完毕后，空钢管受力研究。2钢管混凝土受力钢管混凝土受力状态状态模拟主拱圈钢管压注砼后，钢管和混凝土两者受力研究。模拟主拱圈钢管压注砼后，钢管和混凝土两者受力研究。3成桥状态成桥状态全全桥桥合合拢拢至至成成桥桥状状态态，钢钢管管和和混混凝凝土土两两者者应应力力分分配配规规律律研研究。究。4正常使用极限状正常使用极限状态态研究钢管混凝土拱顶截面在最不利状态下的应力分配规律。研究钢管混凝土拱顶截面在最不利状态下的应力分配规律。5徐变试验徐变试验研究钢管及混凝土的应变变化情况研究钢管及混凝土的应变变化情况61.41.4倍承载能力极倍承载能力极限状态限状态研究钢管混凝土结构的超载性能。研究钢管混凝土结构的超载性能。7超载下的徐变观超载下的徐变观测测研究钢管混凝土结构在超载情形下的徐变性能。研究钢管混凝土结构在超载情形下的徐变性能。81.51.5倍承载能力极倍承载能力极限状态限状态研究钢管混凝土结构在徐变完成下的超载性能。研究钢管混凝土结构在徐变完成下的超载性能。3 3、加载方法、加载方法根据试验荷载分析结果，在得到试验模型上、下弦管两端内力值根据试验荷载分析结果，在得到试验模型上、下弦管两端内力值大小之后，为便于模型采用千斤顶加载，将上、下弦管两端内力换算大小之后，为便于模型采用千斤顶加载，将上、下弦管两端内力换算到上、下弦管两端的加载板上，加载的具体布置下图。到上、下弦管两端的加载板上，加载的具体布置下图。锚固于地槽锚固于地槽锚固于地槽锚固于地槽锚固于地槽锚固于地槽竖向千斤顶竖向千斤顶提供吊杆拉力提供吊杆拉力水平千斤顶水平千斤顶 提供轴力提供轴力加载端板加载端板置于台座上置于台座上4 4、加载大小、加载大小根据试验荷载分析结果加