多主梁钢箱-叠合板组合梁桥成桥试验及构造参数研究.pdf
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1、桥梁建设 年第 卷第期(总第 期)B r i d g eC o n s t r u c t i o n,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:国家自然科学基金重大项目()M a j o rP r o j e c to fN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a()作者简介:王雨伦,博士生,E m a i l:w a n g y u l u m a i l s t s i n g h u a e d u c n.研究方向:钢混凝土组合结构.通信作者:
2、庄亮东,博士,E m a i l:z h u a n g l d c o m.研究方向:钢混凝土组合结构.文章编号:()D O I:/j i s s n 多主梁钢箱叠合板组合梁桥成桥试验及构造参数研究王雨伦,张泽军,庄亮东,薛志超,张文亮(清华大学土木工程系,北京 ;山东高速集团有限公司创新研究院,山东 济南 ;山东高速基础设施建设有限公司,山东 济南 )摘要:为了解多主梁钢箱叠合板组合梁桥的受力特性及其影响参数,以某 m跨多主梁钢箱叠合板简支组合梁桥右幅桥为背景,开展成桥试验及有限元分析.对该桥分别进行静载试验、环境振动试验、无障碍行车试验,结合有限元计算结果,分析主梁应变、挠度、模态及冲击
3、系数等,并研究钢箱梁高度、混凝土板厚、横向联系梁高度对结构横向受力的影响.结果表明:多主梁钢箱叠合板组合梁桥在设计荷载下结构均处于弹性状态,钢箱梁与叠合板可以实现协同工作,整体性能良好;钢箱梁高度越小、横向联系梁高度越大,结构整体性能越好,混凝土板厚对结构横向受力的影响较小.关键词:组合梁桥;多主梁钢箱叠合板组合梁;参数分析;受力性能;成桥试验;有限元法中图分类号:U ;U 文献标志码:AL o a dT e s t o fB r i d g ew i t hM u l t i p l eS t e e lB o xG i r d e r sa n dC o m p o s i t eD e
4、c kS l a b sA f t e rC o m p l e t i o na n dP a r a m e t r i cA n a l y s i sW A N GY u l u n,Z H A N GZ e j u n,Z H U A N GL i a n g d o n g,X U EZ h i c h a o,Z H A N GW e n l i a n g(D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g,T s i n g h u aU n i v e r s i t y,B e i j i n g ,C h i n a
5、;I n n o v a t i o nR e s e a r c hI n s t i t u t e,S h a n d o n gH i S p e e dG r o u pC o,L t d,J i n a n ,C h i n a;S h a n d o n gH i S p e e dI n f r a s t r u c t u r eC o n s t r u c t i o nC o,L t d,J i n a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h es t u d yf o c u s e so nt h em e c h a n i c a l
6、p r o p e r t yo ft h eb r i d g ec o n s i s t i n go fm u l t i p l es t e e lb o xg i r d e r sa n dc o m p o s i t ed e c ks l a b sa sw e l la s i n f l u e n t i a lp a r a m e t e r s T h er i g h td e c ko fas i m p l y s u p p o r t e dm u l t i g i r d e rb r i d g e t h a th a sa l e n g
7、t ho f mi su s e da sac a s e S t a t i c l o a dt e s t,a m b i e n tv i b r a t i o nt e s t,d r i v i n gt e s t w e r ec o n d u c t e d,t o g e t h e r w i t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n,t oa n a l y z e t h e s t r a i n,d e f l e c t i o na n dv i b r a t i o nm o d e so fm a i ng i
8、 r d e r a n d i m p a c t f a c t o r s T h e i n f l u e n c eo fm u l t i p l ep a r a m e t e r so nt h et r a n s v e r s el o a db e a r i n gb e h a v i o ro ft h es t r u c t u r e w a ss t u d i e d,i n c l u d i n gt h ed e p t ho f s t e e l b o xg i r d e r s,t h i c k n e s s o f c o n
9、c r e t e s l a b s a n dd e p t ho f c r o s sb e a m s T h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tu n d e rd e s i g nl o a d s,t h eb r i d g ei sa te l a s t i cs t a t e,w h e r et h es t e e lb o xg i r d e r sa n dc o m p o s i t e c o n c r e t e s l a b s c a nw o r kc o o r d i n a t e
10、d l y,a n d t h e i n t e g r a lm e c h a n i c a l p r o p e r t yo f t h eb r i d g e i ss o u n d S m a l l e rd e p t ho f s t e e lb o xg i r d e r sa n db i g g e rd e p t ho f c r o s sb e a m s l e a dt ob e t t e rm e c h a n i c a l p r o p e r t yo f t h eb r i d g e,w h i l e t h e i n
11、f l u e n c eo f t h ec o n c r e t es l a bt h i c k n e s so nt h et r a n s v e r s em e c h a n i c a l p r o p e r t yo f t h eb r i d g e i sm i n o r K e yw o r d s:c o m p o s i t eg i r d e rb r i d g e;b r i d g ew i t h m u l t i p l es t e e lb o xg i r d e r sa n dc o m p o s i t ed e c
12、 ks l a b s;p a r a m e t r i ca n a l y s i s;m e c h a n i c a l p r o p e r t y;l o a d t e s t a f t e r c o m p l e t i o no fb r i d g e;f i n i t ee l e m e n tm e t h o d多主梁钢箱叠合板组合梁桥成桥试验及构造参数研究王雨伦,张泽军,庄亮东,薛志超,张文亮引言钢混凝土组合梁具有自重低、抗震效果好、结构刚度较大、稳定性好、便于工厂化生产等优势 ,广泛应用于公路桥梁建设中,常见形式为单主梁或双主梁钢混凝土组合梁、多主
13、梁工字钢混凝土组合梁等.随着交通量日益增大,公路桥梁宽幅路面需求增大,桥梁结构需具备更大的抗扭刚度及更强的整体性能,结合钢混凝土组合梁桥受力特点,多主梁钢箱叠合板组合梁桥应运而生.多主梁钢箱叠合板组合梁桥是一种新型的钢混凝土 组合梁桥,该 类桥型的主 要构造特 点为:纵向主梁采用组合结构的形式,通过抗剪连接件将钢梁与混凝土板连接在一起,发挥种材料的性能;纵向钢梁截面形式为钢箱梁,有开口与闭口种形式;纵向钢梁有多个(个及以上),彼此通过横向联系梁及横隔板等构造连接以提高整体性能;混凝土板采用叠合板的结构形式.与传统单主梁、双主梁钢混凝土组合梁桥及多主梁工字钢混凝土组合梁桥相比,新型多主梁钢箱叠合
14、板组合梁桥的抗扭刚度更大,整体性能更好,运输与施工也更便捷,因此多主梁钢箱叠合板组合梁桥结构在公路桥梁中有较为突出的优势及较强的竞争力 .但目前对于该类桥梁受力特性及影响参数的研究较为不足 .鉴于此,本文以某 m跨多主梁钢箱叠合板简支组合梁桥右幅桥为背景,开展成桥试验及有限元分析,以验证该类结构在公路桥梁中的适用性,为其设计与推广提供参考.工程背景某 m跨简支梁桥分为左、右两幅,左、右幅形式基本对称,桥面全宽 m,每幅两边各设 m宽防撞栏.主梁采用多主梁钢箱叠合板组合梁,梁高 m,高跨比/.主梁横向布置个钢箱梁,每个钢箱梁高 m、宽m;混凝土板厚 c m,由 c m厚的预制板和 c m厚的现浇
15、层组成.横向联系梁宽 mm,高 mm,每隔m设置道.在施工过程中,先在钢箱梁翼缘间铺设 c m厚的混凝土预制板作为后浇层施工的模板,在后浇层的钢筋和混凝土施工完成后,预制板与后浇层形成整体,共同承担桥面的二期恒载与车辆活载.该桥右幅桥宽 m,为等截面形式,右幅主梁横截面见图.成桥试验设计为了解多主梁钢箱叠合板组合梁桥的受力特性,并验证结构的可靠性,对右幅桥开展了静载试验与动载试验.静载试验 静载工况通过理论计算,同时考虑该桥受力特点,根据 公路桥梁荷载试验规程(J T G/TJ ),选择测试截面并确定个试验工况,分别为:在/跨(A A截面)施加中载(工况);在/跨施加内偏载(工况);在/跨施加
16、外偏载(工况);在跨中(B B截面)施加中载(工况);在跨中施加内偏载(工况);在跨中施加外偏载(工况);在/跨(C C截面)施加中载(工况);在/跨施加内偏载(工况);在/跨施加外偏载(工况).其中工况、分级加载,其余分级加载.在各截面钢箱梁内部及叠合板顶部关键位置布置应变及挠度测点,右幅桥加载示意及测点布置见图.试验加载根据 公路桥梁荷载试验规程,静载试验荷载效率应为 ,试验的实际荷载采用辆三轴货车,每辆车前轴平均重 t,中、后轴平均总重 t,各工况试验效率均为 ,满足规范要求.为使结构进入正常工作状态以及消除非弹性变形,先用辆车在跨中进行预加载,预加载卸载并充分恢复后,再进行正式加载试验
17、.正式加载时,结果稳定 m i n左右方可作为试验数据,记录完成后,一次卸载清零.动载试验动载试验包括环境振动试验以及无障碍行车试验.图某简支梁桥右幅主梁横截面F i g C r o s s S e c t i o no fR i g h tD e c ko faS i m p l y S u p p o r t e dG i r d e rB r i d g e桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()图静载工况右幅桥加载示意及测点布置F i g L o a dA p p l i c a t i o nt oR i g h tD e c ka n d
18、L a y o u t o fM e a s u r e m e n tP o i n t s i nS t a t i cL o a dT e s t()环境振动试验方案.分别在/跨、跨中、/跨桥面布设竖向速度传感器,收集桥梁在环境振动下的频谱特征.()无障碍行车试验方案.采用辆试验车分别以、k m/h的速度匀速驶过桥面车道中线(即静载工况中载位置),每种车速行驶次,分别记录下每次测试时桥梁的动应变时程数据.试验效率为 ,满足 公路桥梁荷载试验规程 中不大于的规定.无障碍行车试验布置动应变测点,测试截面为静载试验中的B B截面,测点有个,分别布置于号钢箱梁和号钢箱梁的内侧底部,对应静载试验中
19、的应变测点 和 .有限元模型目前通用的多主梁钢箱叠合板组合梁桥的建模方式主要有种:梁单元模型 、梁壳模型、精细模型 .考虑到本文主要研究多主梁钢箱叠合板组合梁桥的空间受力性能,对横向受力的准确性有较高要求,结合计算精度要求和时间要求,选取梁壳模型作为后续研究的模型.采用M I D A SC i v i l软件建立该桥主梁节段有限元模型(图),钢箱梁与横向联系梁采用梁单元模拟,混凝土板采用壳单元模拟,混凝土板与钢箱梁采用节点刚性连接.图主梁节段有限元模型F i g F i n i t eE l e m e n tM o d e l o fM a i nG i r d e rS e g m e n
20、 t成桥试验结果分析 静载试验结果为了解主梁受力特性,以工况为例,分析主梁应变及挠度变化情况.选取A A截面的 号测点应变和号测点挠度有限元模拟及实测结果进行分析,结果见图.由图可知:号测点应变和号测点挠度实测值随荷载变化均匀,说明结构处于弹性 阶段,其余位 置实测值也 有类似结论.实测值小于有限元模拟值,这主要是由于实际工程材料的强度和刚度略高于有限元模型理论材料强度和刚度,建模偏安全.图工况 A A截面典型测点应变及挠度F i g S t r a i na n dD e f l e c t i o no fT y p i c a lM e a s u r e m e n tP o i n
21、t so fA AC r o s s S e c t i o ni nL o a dC a s e工况的级荷载下A A截面测点应变及挠度分布见图.由图可知:A A截面号钢箱梁外侧应变实测值分布接近直线,符合平截面假定,说明结构处于弹性阶段,叠合板与钢箱梁协同工作,结构体系安全可靠,整体性能良好,其余位置实测值也有类似结论.最大荷载下A A截面各测点应变及挠度横桥向分布情况的实测与有限元模拟结果基本一致,说明主梁结构横桥向受力较均匀;应变及挠度实测值均稍小于有限元模拟值.总体而言,有限元模拟值与实测值吻合较好.分析其它工况下的测点实测值及有限元模拟值分布规律,也可得到类似结论.动载试验结果 环境
22、振动试验结果对各测点的速度时程曲线进行试验模态分析,得出结构阶自振频率、阻尼比及振型;同时采用前多主梁钢箱叠合板组合梁桥成桥试验及构造参数研究王雨伦,张泽军,庄亮东,薛志超,张文亮图工况的级荷载下A A截面测点应变及挠度分布F i g L a y o u t o fM e a s u r e m e n tP o i n t so nA AC r o s s S e c t i o n,C r o s s S e c t i o n a l S t r a i na n dD e f l e c t i o nD i s t r i b u t i o nu n d e rG r a d eL
23、 o a d s i nL o a dC a s e述有限元模型进行理论模态分析,得到阶模态参数.对比可知:实测和有限元模拟的阶振型均为整体竖向振动,说明该结构具有良好的整体性能,有限元模型合理.本次试验测试的桥梁阶自振频率为 H z,有限 元 模 型 计 算 的阶 自 振 频 率 为 H z.右幅桥竖向阶实测自振频率大于有限元计算值,主要是实际工程材料刚度略高于模型材料刚度造成的.环境振动试验结果说明右幅桥整体刚度 良 好,结 构 传 递 振 动 能 力 及 均 质 性 满 足 要求.无障碍行车试验结果冲击系数的大小综合反映了桥梁结构的受力性能、桥面平整度以及桥梁的动力性能.根据测点的动应变
24、时程曲线可计算得到冲击系数,计算公式为:Sd m a x/(Sd m a xSd m i n)()式中,Sd m a x为最大动应变值;Sd m i n为与Sd m a x相对应的同一周期最小动应变值.无障碍行车试验结果见表,表中冲击系数平均值为次试验个测点实测冲击系数的平均值.由表可知:冲击系数在车速为 k m/h时最大,其值 为 .根 据 公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范(J T GD )计算的相应冲击系数为 .实测冲击系数小于规范计算值,说明实际桥梁结构动力性能较好,桥面行车舒适度较好.多主梁钢箱叠合板组合梁横向受力影响参数分析选取钢箱梁高度、混凝土板厚、横向联系梁高度个构造参数进
25、行结构横向受力影响研究.在前述有限元模型的基础上,分别改变钢箱梁高度、混凝土板厚、横向联系梁高度,在有限元模型号梁跨中截面顶板中心处施加竖向集中荷载,分别计算不同构表无障碍行车试验结果T a b R e s u l t so fD r i v i n gT e s t行车速度/(k mh)B B截面测点Sd m a x()Sd m i n()冲击系数实测值平均值 造参数对各个钢箱梁的相对挠度(各个钢箱梁的挠度与各钢箱梁挠度之和的比值)的影响.钢箱梁高度保持其余参数不变,建立钢箱梁高度分别为 、m的主梁节段有限元模型,计算得到不同钢箱梁高度下钢箱梁相对挠度,见图.由图可知:在不同钢箱梁高度下,该
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