中承式钢管混凝土系杆拱桥主桥主跨拱脚模型试验

□文/马德才 杨晨霞 赵文宏

1 试验目的

瀛洲大桥长1 160 m，主桥中跨为跨径120 m带悬臂刚架的中承式钢管混凝土系杆拱桥，拱圈由1根主拱肋和2根副拱肋组成。主跨采用飞鸟式配水平柔性系杆索，钢筋混凝土拱脚与纵梁、拱肋、横梁、墩固结，拱脚是一个不规则的实体构造，结构受力复杂。由于3根钢管不同角度集中在一起与钢筋混凝土拱脚相接，拱肋与拱脚部位的连接可靠与否，决定了拱脚设计成败，因此对拱脚、拱肋、主梁的结合处进行空间实体模型加载试验并进行数值计算分析，了解结构受力情况与应力分布十分必要。

2 试验对象

以钢管拱与拱座结合部和拱梁结合部的结构区域为研究对象。

3 试验内容

1）对钢管拱与拱座结合部和拱梁结合部初步分析，计算分析采用有限元程序进行。

2）设计制作1∶5的比例模型。采用与原型相同的材料和工艺制作。

3）设计制作加载反力架。通过反力架加载使模型各部位的受力情况和边界条件与原型相似。

4）进行应力和变形测点的布置。测点主要布置在拱肋、主梁、拱座和墩的结合部。

5）制作压力荷载传感器。使用传感器对各千斤顶荷载进行控制，保证千斤顶荷载满足要求。传感器在使用前必须进行标定。

6）进行静力荷载试验。使用日本产的UCAM-70A和UCAM-1A电阻式应变仪对模型应力和变形测点进行测量，研究结合部的传力途径和应力分布并观察模型结构的裂缝产生和发展情况。

图1 SOLID95 单元基本形式

7）继续增加荷载，直至结构达到极限承载力或超过试验控制荷载2.0倍，测量模型的应力分布，观察模型结构的裂缝产生和发展以及破坏形态。

8）根据试验模型构造建立有限元模型，计算模型的应力应变分布。通过计算与试验结果的对比，对实桥结合部工作性能进行综合分析，对结构提出优化建议。

4 模型仿真计算

采用有限元分析软件计算在各加载工况下，模型的应力及位移分布。

顺桥向为X轴，竖向为Y轴，横桥向为Z轴。钢板采用壳单元模拟，混凝土采用块体单元模拟。由于模型结构非常复杂，为更好地模拟细部结构，又使单元形状和数量满足计算要求，对混凝土部分同时使用SOLID95单元和SOLID92单元混合。

SOLID95单元是20节点的块体单元，其基本形式见图1。

SOLID92单元是10节点的块体单元，其基本形式见图2。

图2 SOLID92单元基本形式

将SOLID95单元中的四面体单元转换成SOLID92单元，可减少节点数目，缩小刚度矩阵，节约计算时间。

钢材型号Q345qD，弹性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3

混凝土强度等级为C50，弹性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比μ=0.167，混凝土弹性模量为实测结果。

5 结构试验流程

结构试验流程见图3。

图3 试验流程

6 模型设计和制造

6.1 整体设计

模型设计的一般原则是能够反映实际结构的主要力学特征，忽略次要因素。试件的尺寸一般根据研究目的实现效果、试验室的设备及场地大小决定。由于模型不可能做成与实际结构完全一样，所以其应力分布与实际结构就存在一定的差异。但设计模型时对这种误差的控制应遵循如下原则：

1）该差异力争控制在±5%范围内；

2）模型的应力应该与实际结构应力等效；

3）模型的边界条件、力和位移均应与原型相似。

试验模型各物理量与原型各物理量的相似关系见表1。

表1 各物理量的相似常数

模型取三角形混凝土拱肋和一小截主拱肋、副拱肋，这样在模型主梁两端均只需施加剪力，有利于模型边界条件的模拟。缩尺模型高度4.6 m，长度9.3 m，宽度6.2 m。

6.2 模型试验场地与反力架设计

在试验室设置地锚系统，经过对比，选择其中承载力较大的一处地锚系统进行试验。

反力架在顶端受到拱肋荷载的反力作用，中部受到体外索的反力作用，所以反力架受到的荷载较大，是模型试验的一个关键。通过计算，反力架的主要构件为地锚纵梁、立柱、斜撑、支座组成，另外还有为张拉设置的横梁等结构。连接方式采用焊接。

6.3 预应力筋的布置

在模型上混凝土主梁的板厚很小，为了方便，在模型中采用无粘结预应力索模拟，按照相似比缩小合并。

系杆采用体外预应力索，37φ15.24mm钢绞线，其面积为5 180mm2，模型所用钢绞线按1∶25缩小面积应为207.2mm2，实际应用中可采用2φ12.7mm钢绞线，截面面积为197.4mm2，与模型比例接近。

6.4 模型加载方式

实桥拱座结合部、拱梁结合部的受力特点,主拱肋采用1台350 t千斤顶加载，副拱肋采用2台150 t千斤顶加载。千斤顶的荷载采用压力传感器进行控制。压力传感器在使用前进行标定。

通过反力架提拱模型荷载的反力。在反力架外侧张拉体外索模拟系杆力；主梁端的竖向荷载通过千斤顶竖向加载。

在混凝土台座端预埋精轧螺纹钢，通过张拉精轧螺纹钢对模型这端施加竖向力，模拟由挂孔传递过来的竖向荷载。

模型的恒载补偿可在模型上堆载来施加。堆载采用砂袋和铁块进行施加。

根据相似原理，当原型材料的弹性模量和模型的弹性模量相等时，模型材料的密度和原型材料的密度应与相似常数成反比。一般条件下，该条件无法满足，常采用在模型结构上附加质量配重来解决。

6.5 模型混凝土试件的检测结果

浇筑模型混凝土时，同时制作了3组立方体强度试件，1组弹性模量试件。立方体强度试件边长为150mm，分别测量混凝土3、7、28 d强度。弹性模量试件规格为100mm×100mm×300mm，测量混凝土28 d弹性模量。试件测试结果表明，混凝土立方体强度满足强度等级为C50混凝土的要求，弹性模量略低于规范取值，这是因为模型采用细骨料混凝土，弹性模量略偏低。

7 模型测点与测试

7.1 模型的测点布置

应力测点主要布置在拱座和拱座周围，重点测量拱肋和主梁结合部的应力分布。在其他位置也布置相应的测点，测量模型应力的整体分布。

变形测点主要在端部中点拱、脚处，采用电子百分表进行测量。

7.2 模型的加载工况

模型的加载分成以下几个工况，每加载完成一个工况后，进行相应和测试。

1）预应力工况。施加箱梁预应力。

2）恒补工况。施加恒载补偿。

3）体外索工况。施加体外索荷载。

4）恒载工况。施加一期与二期恒载工况下的拱肋荷载和中边挂孔荷载。

5）根据设计提供的主拱最大轴力、主拱最大剪力、主拱最小弯矩、副拱最小弯矩，4种最不利工况，施加4种工况下的拱肋荷载和中边挂孔荷载。

6）极限。单独施加拱肋荷载，按最不利工况一的拱肋荷载的2.0倍加载。加载时分级进行，加载到位后应分级卸载，每级均进行应力和位移的测量，同时输出混凝土拱肋应力测试结果。

混凝土拱肋上共布置了4个测试断面，分别在2个混凝土拱肋的两端。测点布置的方向与拱肋轴线平行。每个测试截面布置有10个测点，平均分布在测试截面的顶底板上。

8 试验分析与结论

1）模型的设计符合相似原理，模型能够模拟实桥结构的受力情况，模型的加载方案保证了模型的边界条件与实桥相似，模型设计能够满足试验方案的要求。

2）模型各工况的试验结果表明：绝大部分应力测试结果校验系数在0.5～1.1，位移校验系数在0.81～1.19，模型在各工况下应力、位移实测结果与计算结果吻合和状态良好，处于弹性工作状态；有限元程序能够对实际结构进行很好地模拟，达到了相互校验的研究目的。

3）模型混凝土拱肋的叠加应力以受压为主，在中跨侧拱肋顶板和边跨侧拱肋底板局部有拉应力，拉应力约有1 MPa。模型主梁全截面受压，预应力布置合理。主拱肋钢管实测最大压应力为70.5 MPa，副拱肋最大压应力为132.7 MPa。

4）在加载至极限荷载工况时，模型表面仍未发现裂缝，模型极限承载力大于极限荷载工况下的荷载。副拱肋钢管实测压应力最大，为265 MPa，拱座外包钢板实测应力＜30 MPa。模型加载时位移和应变随荷载变化呈线性变化，模型卸载后，位移和应变基本恢复，表明模型始终处于弹性工作状态。