湘潭湘江四大桥模型试验的加载方法研究

本文在湘潭湘江四大桥有限元理论分析的基础上,针对桁架式拱肋组合受力的特点,提出了桁架拱肋拱脚实腹段控制断面按负弯矩影响线布活载,而桁架段控制截面按应力影响线布活载的加载方案。结合传统方法,按两种方式进行活载布置,通过有限元的理论分析和模型试验结果的对比,结

湘潭湘江四大桥模型试验的加载方法研究

赵跃宇，康厚军，周海兵，王连华

湖南大学土木工程学院，长沙（410082）

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摘 要：本文在湘潭湘江四大桥有限元理论分析的基础上，针对桁架式拱肋组合受力的特点，提出了桁架拱肋拱脚实腹段控制断面按负弯矩影响线布活载，而桁架段控制截面按应力影响线布活载的加载方案。结合传统方法，按两种方式进行活载布置，通过有限元的理论分析和模型试验结果的对比，结果表明在桁架段，按应力影响线布活载的工况为危险断面的最不利工况。这种活载布置方法可为同类钢管混凝土桁架拱桥的试验提供参考。 关键词：钢管混凝土；斜拉拱桥；有限元法；模型试验 中图分类号：U446.1

1. 引言

桥梁结构模型试验是研究桥梁工程问题的重要方法之一，可以确定或探索复杂桥跨和新型桥梁结构的受力状态。早在1775年德国工程师格莱伯曼为了在莱茵河上修造木桥，就首先使用模型试验验证了设计的可靠性。此后，在桥梁工程中进行了大量的试验研究。我国从50年代起，随着桥梁建设的蓬勃发展，逐渐开始了桥梁结构的模型试验研究[1-3]。桥梁结构模型试验研究的目的为验证结构设计理论和确定复杂结构细节的受力状态。桥梁结构模型试验有静载试验和动载试验两种。静载试验是指将静止的荷载作用于桥梁上的指定位置，测试结构的静应变、静位移以及裂缝等，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态及使用性能。

在静载模型试验中，加载方案设计对试验尤为重要，它直接影响模型试验结果的可靠性。本课题组受湘潭四航建设有限公司和铁道第四勘察设计院的委托对新型桥梁湘潭市湘江四大桥主桥——斜拉飞燕式系杆钢管混凝土拱桥（以下简称湘潭湘江四桥）进行整体模型试验，分析研究并评价该桥式结构的受力性能，提出改善结构受力性能的建议。湘潭湘江四桥为新型桥梁结构，如何对其进行静力性能的模型试验研究，模型试验的加载方法尤其重要。本文依托湘潭湘江四桥成桥静载模型试验，对桥梁结构模型试验的加载方法进行了研究。根据该桥的具体特点，拟定出对桁架拱肋拱脚实腹段控制断面按负弯矩影响线布活载，而桁架段控制截面按应力影响线布活载的载荷布置方式。理论分析与试验结果表明此种活载布置方式比按传统活载布置方式更能检测出主拱肋在活载作用下危险断面的最不利情况。

2. 湘潭湘江四桥简介

湘潭市湘江四大桥主桥为斜拉飞燕式系杆钢管混凝土拱桥，其纵向布置为120m+400m+120m。湘潭湘江四桥以拱结构受力为主，辅以斜拉索受力。主桥桥型布置如图1所示。

主拱采用中承式双肋无铰平行拱，拱肋中心距为34m，计算跨径为388m，拱轴线为七次抛物线。拱肋矢跨比为1/5.19，拱轴线理论矢高为74.7m。主拱拱肋采用双肋6管桁架截面。钢管壁厚在上、下弦管上沿高度变化，上弦钢管壁厚分别为28mm、24mm、22mm；下弦钢管壁厚分别为28mm、24mm、20mm。上弦钢管均灌注C50无收缩混凝土，下弦钢管距拱脚中心水平距离0～116m范围内灌注C50无收缩混凝土，其余为空钢管。拱肋高度由

本文在湘潭湘江四大桥有限元理论分析的基础上,针对桁架式拱肋组合受力的特点,提出了桁架拱肋拱脚实腹段控制断面按负弯矩影响线布活载,而桁架段控制截面按应力影响线布活载的加载方案。结合传统方法,按两种方式进行活载布置,通过有限元的理论分析和模型试验结果的对比,结

拱脚的中心桁高5.0m沿纵向水平直线变化到拱顶中心桁高9.0m，外形呈月牙形。主跨桥面系采用悬吊体系，桥面结构由钢横梁、钢纵梁、π形桥面板组成。设39对吊杆，吊杆中心距为8.0m。设1道“米”字形横撑、8道“K”字形横撑和2道肋间横梁“一”字形横撑。

边拱拱肋为上承式，双肋横向内倾，计算跨径为62m，西岸矢高为18.036m，东岸矢高为19.644m，拱轴线采用1.45次抛物线。桥塔采用直线和圆曲线组成的花瓶形混凝土索塔，斜拉索的布置采用空间扇形。边跨主梁采用双边主梁截面形式，边主梁采用箱形截面，两片主梁之间用桥面板和横梁连接。边跨主梁与主跨桥面系之间铰接连接。设16根49束φj15.7钢绞线系杆，每个拱肋8根，按两排四根布置。系杆锚固于边跨主梁端横梁处；在主梁内按体外预应力束布置，在每根横梁处设置预埋钢管以穿过系杆；在主跨桥面处，系杆布置在桥面下侧，穿过钢横梁，支承在钢横梁的系杆支撑架上。

3. 试验加载方案

图1中湘潭湘江四桥结构的受力体系为：结构主跨侧的荷载通过吊杆和斜拉索传递给主拱和桥塔；边跨侧的荷载部分通过斜拉索传递给桥塔，部分通过边梁传递边支座和边拱；作用在桥塔上的斜拉索水平分力左右自平衡，竖直分力通过塔身传递给拱座；系杆力及边跨侧斜拉索水平分力通过边跨主梁传递给边拱，在拱座处与主拱的水平分力平衡；竖直分力都通过拱座传递给基础。由此，根据设计图纸结合有限元分析软件ANSYS建立湘潭湘江四桥的结构计算分析的平面桁架式、平面整体式与空间三种有限元模型，如图2-图4所示。基于以上三种有限元模型对恒载作用下桥梁结构的内力进行了数值计算分析，其结果如表1与表2所示。

本文在湘潭湘江四大桥有限元理论分析的基础上,针对桁架式拱肋组合受力的特点,提出了桁架拱肋拱脚实腹段控制断面按负弯矩影响线布活载,而桁架段控制截面按应力影响线布活载的加载方案。结合传统方法,按两种方式进行活载布置,通过有限元的理论分析和模型试验结果的对比,结

中荷载和均布荷载均小于按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)[8]所算的载荷，为使模型试验结果偏于安全，按《公路桥涵设计通用规范》进行活载布置的有限元计算和试验。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)，PK=360kN，qK=10.5kN/m本桥应为：

PK=360×6×0.55×0.5=594kN

qK=10.5×6×0.55×0.5+2.5×1.15×2=23.075kN/m

其中0.55为车道荷载横向折减系数，0.5是根据本文平面分析所取的二次横向折减系数。人行荷载按

2×2.5×1.15 kN/m2计算。下面给出桁架模型主拱肋的弯矩包络图和应力包络图。横坐标为拱的跨度，竖轴为广义力值。

由于ANSYS有限元软件的功能的强大，笔者按以上给定的活载计算，并分别计算拱肋的上下弦，得到了湘潭湘江四桥拱肋上下弦的弯矩包络图。湘潭湘江四桥为组合受力结构的压弯构件，控制结构受力状态和承载能力的主要因素往往是一种组合作用。因此采用传统的方法用弯矩络图确定危险断面，然后按危险断面的弯矩影响线布活载，可能检测不到直正的危险断面的布载工况。本文同时计算了主拱肋上下弦的弯矩包络图和应力包络图如图5与图6所示。

本文在湘潭湘江四大桥有限元理论分析的基础上,针对桁架式拱肋组合受力的特点,提出了桁架拱肋拱脚实腹段控制断面按负弯矩影响线布活载,而桁架段控制截面按应力影响线布活载的加载方案。结合传统方法,按两种方式进行活载布置,通过有限元的理论分析和模型试验结果的对比,结

表1.成桥状态恒载应力(MPa)

Table 1 The stress of the main cross-section of bridge under dead load. 拱顶 拱脚 西边梁 东边梁

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