钢管混凝土系杆拱桥系梁应力状态分析

王哲龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

钢管混凝土系杆拱桥系梁应力状态分析

王哲龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

以茅茨岘立交特大桥1×128 m系杆拱桥为依托，分系梁浇筑完毕和系梁纵向预应力张拉结束2种工况，将从实桥采集的应力数据进行温度修正后，与有限元模拟值和按1∶16缩尺室内模型的试验结果进行对比分析。分析结果表明:相同工况、相同位置处实桥截面应力实测值、有限元模拟值和室内模型试验值大致相同，误差在0.6%～5%。

钢管混凝土系杆拱桥;相似理论;有限元模拟;缩尺模型;应力分析

系杆拱桥兼有拱桥跨越能力大和简支梁桥地基适应能力强两大特点，是大跨度组合结构桥梁的重要发展方向之一。钢管混凝土是在薄壁圆形钢管内填充混凝土，利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受力状态，从而使其具有更高的抗压强度和抗变形能力。与通常的圬工拱桥和梁桥相比，它具有结构受力合理、用料省、造型美观等特点，但拱桥在建造过程中，如何准确掌握施工阶段的结构受力情况尤其是关键部位应力一直是工程师们共同关注的问题。因此，施工过程中的跟踪监测必不可少。现对从实桥采集的应力数据进行温度修正，并与有限元模拟和室内模型的试验结果进行对比分析，以期为待建类似桥梁设计和施工提供参考。

1　工程概况

依托工程为一钢管混凝土下承式系杆拱桥，结构设计形式为刚性系梁刚性拱。系梁采用预应力混凝土箱梁，按全预应力混凝土进行设计。拱轴线为二次抛物线，矢跨比1/5，理论计算跨度128 m。系梁全长131 m，采用满堂支架法施工，先在满堂支架上浇筑系梁而后在系梁上搭设支架架设拱肋。系梁为单箱三室截面，梁高3.0 m，梁顶宽14.7 m，底宽12.04 m，距系梁端部10.5 m范围内，梁顶加宽至15.3 m，梁底加宽至13.2 m。边腹板厚64 cm，拱脚处加厚至185 cm，中腹板厚38 cm，拱脚处加厚至210 cm，箱梁顶设有2%的横坡，分5段浇筑。

2　有限元模型的建立

根据实际情况建立了全桥有限元模型，施工过程通过大型有限元分析软件Midas/Civil实现。模型共分为495个节点，447个单元。吊杆采用只受拉桁架单元模拟，其余纵梁、横梁、拱肋、桥面板均采用梁单元模拟，其中梁单元379个，桁架单元68个。对时间依存性材料进行了定义，以此考虑收缩、徐变的影响。模型中定义了自重、预应力荷载、吊杆索力和二期荷载4种静力荷载，并包含系梁浇筑、拱肋拼装和安装吊杆等29个施工阶段。建立的有限元模型如图1所示。

图1　全桥有限元模型

3　室内模型的制作

为了进一步直观分析系杆拱桥的受力特性，也为解决实际桥梁无法模拟不同工况的问题，依据相似原理按1∶16的比例制作了室内模型(图2)，计算跨径为8 m，室内模型与实桥主要在几何、材料、边界、荷载等方面相似。室内试验采用静态应变测试仪(图3)采集数据。

图2　室内模型

图3　静态应变测试仪

4　数据采集

分别采集现场桥梁、有限元模型与室内模型关键位置处的应力并进行对比分析。测点分别布置在大、小里程拱脚截面，L/4截面(L为计算跨径)，L/2截面，3L/4截面。L/4截面测点布置在左侧底板(左底)、顶板中部(顶中)和右侧底板(右底)3个位置;L/2截面测点布置在左侧底板(左底)、右侧底板(右底)、左侧顶板(左顶)和右侧顶板(右顶)4个位置;3L/4截面测点布置在左侧顶板(左顶)、底板中部(底中)和右侧顶板(右顶)3个位置。具体的测点布置如图4所示。

图4　测点布置示意

在现场实际监控中，采用智能弦式应变计，并配合综合测试仪进行数据采集，可在仪器上直接读出钢筋应力计的应变和温度数据，使用简单方便直观。

5应力测试结果分析

首先提取具有代表性的L/4截面、L/2截面、3L/4截面处的数据，先对实桥采集的应力数据进行温度修正，然后将其与有限元模拟值和室内模型试验数据进行对比分析。表1为系梁浇筑完毕时三者截面应力的对比，表2为系梁纵向预应力张拉结束后三者截面应力值的对比。表1、表2均包含L/4左底、L/4顶中、L/4右底、L/2左底、L/2右底、L/2左顶、L/2右顶、3L/4左顶、3L/4底中、3L/4右顶10个截面位置。

表1　系梁浇筑完毕时截面应力有限元模似值、室内模型试验值和实测值的对比

表2　系梁纵向预应力张拉结束后截面应力有限元模似值、室内模型试验值和实测值的对比

从表1、表2可以看出，有限元模拟值、室内模型试验值、实测值三者大小比较接近。系梁浇筑完毕时截面应力室内模型试验值与有限元模拟值的误差绝对值在0.2%～1.4%。实测值与有限元模似值的误差绝对值在0～0.9%。系梁纵向预应力张拉结束后截面应力室内模型试验值与有限元模拟值的误差绝对值在0.4%～6.8%;实测值与有限元模拟值的误差绝对值在0.2%～5.4%。还可以看出，L/4，L/2，3L/4各截面处顶板的应力绝对值相比底板要大，这是由于系梁下方满堂支架在系梁自重荷载作用下产生弹性变形导致顶板受压所致。

系梁浇筑完毕时、系梁纵向预应力张拉结束后截面应力室内模型试验值、实测值与有限元模拟值的对比分别见图5、图6。

图5　系梁浇筑完毕时截面应力室内模型试验值、实测值与有限元模拟值的对比

图6　系梁纵向预应力张拉结束后截面应力室内模型试验值、实测值与有限元模拟值对比

从图5、图6可以看出，系梁浇筑完毕时、系梁纵向预应力张拉结束后2种工况下截面应力曲线的变化趋势大致相同，且室内模型试验值、实测值与有限元模拟值误差绝对值大致在5%。说明有限元模似值、室内模型试验值能够比较好地反应实际桥梁受力状态，由此验证了有限元模型和室内模型的合理性。

6　结语

1)从桥梁各控制截面应力来看，有限元模似值与实测值误差绝对值在0～5.4%，说明有限元模型参数选取及建模合理。

2)室内模型试验的应力经过相似比换算后与实际桥梁相同位置处实测应力误差绝对值在0～4.1%，说明本室内模型制作合理，具有一定的预测意义。

3)由于模型的部分结构(如吊杆)可重复使用，除了可以测试系梁不同工况下不同位置的应力外，还可对未建桥梁吊杆不同张拉顺序下相应位置处的应力进行测试，充分发挥模型的预见作用。

［1］CHEN Baochun，WANG Tonlo．Overview of Concrete-Filled Steel Tube Arch Bridges in China［J］．Practice Periodical on Structural Design and Construction，2009，14(2):70-80．

［2］黄云，张清华，叶华文，等．钢管混凝土系杆拱桥空间稳定性分析［J］．桥梁建设，2014(4):50-56．

［3］杜迎东，王起才，于本田，等．跨度128 m系杆拱桥模型试验研究［J］．铁道建筑，2015(9):18-20．

［4］范立础，顾安邦．桥梁工程(下册)［M］．北京:人民交通出版社，2009:190-207．

［5］覃应华，陈伟庚，顾问宇，等．铁路工程现场试验室验收浅谈［J］．铁道建筑，2006(12):105-106．

［6］陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工［M］．北京:人民交通出版社，1999:1-8．

［7］顾安邦，张永水．桥梁施工监测与控制［M］．北京:机械工业出版社，2005:246-273．

［8］董振升，刘鹏辉，王巍．京沪高速铁路淮河特大桥96 m系杆拱动力性能试验研究［J］．铁道建筑，2013(9):1-4．

(责任审编 葛全红)

Stress Analysis of Collar Beam of Concrete-filled Steel Tube Tied Arch Bridge

WANG Zhelong
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

The research background is Maocixian interchange bridge，a 1×128 mtied arch bridge．Two cases were studied including collar beam casting and longitudinal prestressing strands tensioning．The measured stress in the field test with tem perature correcting was com pared with results of finite elem ent sim ulation and 1∶16 scale model testing conducted in the lab．The results show that the stress values of these three methods are very close given the same loading case and the same location，and the error is within 0.6%to 5%．

Concrete-filled steel tube tied arch bridge;Sim ilarity theory;Finite elem ent sim ulation;Scale model; Stress analysis

U448．22+5;U448．33

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．06

1003-1995(2016)11-0023-04

2016-07-10;

2016-09-20

王哲龙(1983—)，男，工程师，硕士。