• 江苏丹阳运河大桥吊杆索力监测及分析 不要轻易放弃。学习成长的路上,我们长路漫漫,只因学无止境。


    近年来,不断有系杆拱桥吊杆破损及更换的工程案例出现。因此,对系杆拱桥吊杆在施工阶段与活载作用下的受力状况进行深入研究有很有必要。江苏丹阳运河大桥是一座下承式系杆拱桥,其吊杆由拉索与钢护筒两部分组成。拉索为集束高强钢丝,与钢护筒之间无填充物。施工中,吊杆拉索安装定位后,吊杆钢护筒与拱肋钢管外壁及系杆骨架焊接为一体。这样,施工时,张拉拉索时也相应地会对钢护筒产生压应力。本文对丹阳运河大桥各个施工阶段及成桥状态静载试验时的索力进行了监测,并利用有限元方法对相应阶段进行数值计算,研究了本桥在各个受力阶段吊杆应力变化及吊杆拉索与钢护筒内力分配的关系。

    关键词系杆拱桥;吊杆;钢护筒;索力监测;静载试验

    MEASUREMENT AND ANALYSIS OF STRESS IN THE SUSPENDER FOR DANYANG CANAL BRIDGE IN JIANGSU PROVINCE

    XIAO Liang

    (1.Nanning Survay and Design Institute CO., LTD. of China Railway Siyuan Group, Nanning, 万博客户端3.9版本,万博体育怎么注册,manbetx2.0手机Guangxi 530003, China;

    2.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

    Abstract In recent years, there are some collapse cases because of the suspender failure in the tied-arch bridge. So it’s quite necessary to do some research concerning the stress change in suspenders during the construction stage as well as serviceability state. Danyang Canal Bridge in Jiangsu province is a tied arch bridge, its suspender consists of two parts, one is the stay cable, and the other is the steel tube which is used for protecting the stay cable. The stay cable is made from bunched steel wires. There isn’t any filling material between the steel tube and the stay cable. In this bridge, the steel tube is not only for protection of the stay cable, but also acts as a part of the suspender, which carries some forces during the construction stage as well as serviceability state. In this paper, the stresses of the stay cable and the steel tube are measured and numerically analysed at different construction stages and under loading test when the bridge construction is finished.

    Keywords tied-arch Bridge; suspender; steel protection tube; stress monitor; loading test

    1前言

    系杆拱桥是一种无推力的梁拱组合体系桥,将主要承受压力的拱肋和主要承受弯矩的行车道梁组合起来共同承受荷载,充分发挥了梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用。系杆拱桥拱肋产生的水平推力由系杆承担,所以外部是静定结构,但在内部却是高次超静定结构,任一吊杆内力的改变对全桥各构件受力状态都有一定影响[1,2,3]。

    江苏丹阳运河大桥为新建桥梁,位于江苏241省道丹阳大泊至珥陵段,跨越京杭大运河,主桥为1×100m钢管砼下承式系杆拱,引桥采用20m先张法预应力砼空心板梁,为结构简支桥面连续。东、西侧引桥均为6×20m,全桥长为348.12m。主桥拱轴线为二次抛物线,计算跨径L=100m,跨中计算矢高为20m,矢跨比1/5;计算拱轴线为抛物线方程为 。拱肋截面为哑铃型,拱肋高度为2.2m,拱肋由两根外径90cm、壁厚16cm钢管中间以缀板连接构成,拱肋钢管材料采用Q345D钢。主桥系杆采用箱型截面,系杆高度1.8m,宽1.4m。主桥系杆之间采用横梁相连接。系杆和横梁为预应力砼结构。系杆和拱肋之间采用吊杆作为传力结构,吊杆每5m设置一个。主桥桥梁全宽34.3m,分南北两幅。每幅桥宽包括12.75m的行车道、两个1.4m的系杆和两个0.5m的护栏。两幅桥之间为0.6m的分隔带[4,5]。

    1.1本桥吊杆特点

    本桥吊杆相对其它的系杆拱桥有几个不同点如下

    1)吊杆拉索外围只设置了钢护筒,二者之间无填充物。

    由于吊杆拉索采用FEPS5-91集束高强钢丝,锚具采用冷铸锚PESM5-91,拉索的防腐蚀等大部分保护措施已经是在工厂完成,在项目现场只需要进行防撞、刮等物理保护。

    本桥吊杆拉索设计是可以更换的,如果灌注水泥砂浆等填充物,则无法换索。灌注水泥砂浆会对吊杆拉索造成破坏,因为在运营期间,吊杆要承受较大的疲劳荷载,内部水泥砂浆很容易开裂,特别的是吊杆上下端要在平面内和平面外转动,很容易挤伤内部拉索的保护层。

    2)吊杆钢护筒在场地主桥骨架安装时便焊接在拱肋和系杆上,从而在整个成桥过程和运营期间都要参与承担荷载。

    3)锚具的保护措施为在拱肋张拉端是通过平齐拱肋上表面用钢板焊接的办法来实现,而在系杆锚固端则通过焊接保护罩的方法来实现。

    本文主要针对南幅桥进行试验、分析。南幅桥共安装了8个压力传感器,分别位于吊杆DG9、吊杆DG5及吊杆DG0的拉索上,如图1所示。传感器的编号见图2。另外,对施工阶段,在压力传感器编号为4与8处的西DG9上,各安装了1个振弦式应变计;对静载试验阶段,则对这8根吊杆的钢护筒表面分别安装了1个振弦式应变计。

    1.2Ansys模型的建立

    根据本系杆拱桥结构的传力途径,可以把系杆拱桥上部结构模型简化成五个部分拱肋,吊杆,系杆(系梁),横梁和桥面板。本桥采用三种常用的Ansys单元如表1。

    拱肋的钢管与砼为共节点单元,在节点处钢管与砼的位移相等。此外,为了考虑钢管拱肋对钢管内砼的约束作用,把砼强度等级由C40提升到C45进行模拟[6]。

    与钢管砼拱肋以及尺寸达1.4×1.8m的系杆相比较,主要承受拉力的吊杆就只能属于柔性构件了。其与拱肋以及系杆接触的节点通过耦合的方式,使其上节点能与拱肋同步变形,下节点也能随着系杆变位而移动。

    利用Ansys建立模型如图3。

    2施工过程索力监测及分析

    2.1典型工况的选择

    从构件安装和预应力施加角度选择如下七种典型工况[4]

    工况1浇筑系杆砼此时系杆第一批预应力已张拉至50%,且已经利用吊车对吊杆拉索施工性拉紧;工况2第一次张拉吊杆拉索至300kN(167.9MPa),此时系杆第一批预应力已张拉至100%;工况3安装中横梁;工况4安装行车道板;工况5现浇桥面整体化砼,此时横梁第二批预应力张拉到位;工况6张拉系杆第三批预应力;工况7安装护栏,浇筑沥青铺装。此时吊杆拉索第二次张拉至950kN(531.7MPa),系杆第三批预应力筋张拉完毕,中横梁第三批预应力筋张拉完毕。

    2.2吊杆拉索应力变化

    综合以上七个工况的应力情况,我们可以把整个成桥过程的理论与实测应力值综合考虑。由于实测的只有4根DG9、2根DG5和2根DG0的拉索内力,故我们分别对这三组进行比较如图4、图5和图6。

    根据数值计算结果显示,在同一工况作用下,不论是数值计算值还是实测值,各吊杆拉索应力比较接近,其吊杆拉索应力变化在施工过程中的趋势是增大的,变化较大处发生在工况2和工况6处。这是因为工况2时吊杆拉索张拉至167.9MPa,在工况6时张拉至了531.7MPa。

    工况1作用下,即吊杆拉索第一次张拉至167.9MPa之前,拉索数值计算拉应力最大为DG3达到20.1MPa,实测最大值为北侧西向DG5达到15.7MPa;

    工况2作用下,即吊杆拉索第一次张拉至167.9MPa之后,拉索计算拉应力最大为DG3达到158.4MPa,而实测最大值为南侧东向DG9达到143.1MPa;

    工况作用5下,即吊杆拉索第二次张拉至531.7MPa之前,拉索数值计算拉应力最大为DG3达到202.4MPa,而实测最大值为北DG0达到176.1MPa;

    在工况6作用下,即吊杆拉索第二次张拉至531.7MPa之后,拉索计算拉应力最大为DG3达到501.5MPa,而实测最大值为北DG0达到484.7MPa。

    但这二者的比例在0.5~0.8范围内,差值产生原因可能有施工误差、实测值未计入劲性骨架自重引起的吊杆应力以及实际张拉过程吊杆之间的相互影响而导致的与数值计算的差异。

    2.3吊杆钢护筒应力变化

    将吊杆钢护筒在施工阶段的应力变化作图示意如图7、图8。

    根据图7得知,在工况2和工况6时应力较大幅度地降低,跟吊杆拉索应力增加相符合。对于处于两次张拉之间的工况3、4、5和7而言,由于安装体积较大的中横梁、装配桥面板、浇筑整体化砼和浇筑桥面铺装,桥梁自重逐步变大,从而使钢护筒保持拉应力增长、压应力降低的趋势。

    DG9钢护筒应力数值计算与实测值比较图8显示,DG9钢护筒实测值与数值计算值差距较大,而且始终处于受拉状态。在工况6吊杆拉索张拉至531.7MPa时,钢护筒拉应力减小较明显,这点与数值计算趋势相同。

    由于在具体施工中不可能在每个工况都对吊杆拉索进行张拉,但桥梁自重荷载却在不断增大。而吊杆钢护筒则是用来暂时承担由增加的结构自重在对应吊杆处引起的内力增量,而吊杆拉索在张拉后就承担了这部分的内力增量

    数值计算结果显示,在成桥后吊杆钢护筒是承受吊杆拉索施加的压应力,而实测数据显示其承受的是结构自重产生的拉应力,二者的差异主要可能来源为施工误差,并且由于钢护筒几何尺寸较大,而应变计的设置方位及方向与吊杆轴线未一致也可能导致这种现象。

    3成桥状态下静载试验时索力监测及分析

    3.1吊杆拉索应力变化分析

    按照文献[7]对南幅桥进行静载试验加载,将吊杆拉索应力增量的变化作图如图9、图10。

    图9与图10均显示,不论是在1/4跨、1/2跨,还是3/4跨加载,DG9的应力增量都比较小,并且只有在加载位置附近2个吊杆间距范围内拉索应力变化相对比较明显;偏载加载(偏南侧)时南侧吊杆应力增量大于对称加载,北侧吊杆应力增量小于对称加载。实测增量与数值计算增量的比值偏小,在0.3~0.5之间,可能的原因在于施工误差以及对于应力增量最大不到30MPa而言压力传感器的灵敏度相对较低。

    3.2吊杆钢护筒应力变化分析

    同样地,对静载试验时吊杆钢护筒的应力增量变化也作图如图11、图12。

    由于施工的误差等种种原因,数值计算结果显示本桥在成桥状态下吊杆钢护筒由于张拉吊杆拉索而受压,而根据振弦式应变计的测量结果显示实际成桥状态下吊杆钢护筒是受拉的。

    根据图11、图12两图可以得知,同一位置处吊杆钢护筒的应力增量与拉索的应力增量基本相同,因为二者应变一致而材料弹性模量又很接近,其变化规律与拉索相同。

    4结论

    研究表明,吊杆拉索与钢护筒形成一体后,在不同施工阶段及静载试验时均能共同受力。成桥过程中吊杆拉索与吊杆钢护筒实测值均小于数值计算值,成桥最后阶段各吊杆应力比较接近。在静载试验中,吊杆应力增量较小,在不同的加载工况下均不超过30MPa。但由于吊杆拉索与吊杆钢护筒横截面积大小的差异,外荷载作用下二者所分摊的内力增量差异较大,吊杆钢护筒分担的内力增量是吊杆拉索的5倍。这表明,在日常使用中,吊杆并不易万博客户端3.9版本,万博体育怎么注册,manbetx2.0手机 发生强度破坏,系杆拱桥中更应加强吊杆耐久性保护措施。

    参考文献

    [1] 钟铁峰.中(下)承式系杆拱桥有限元分析与施工监控[D][博士学位论文].重庆重庆大学资源与环境工程学院,20061-5.

    [2] 陈宜言.拱式桥梁破损安全吊杆及其系统研究[J].四川大学学报(自然科学版).2008,40(1).

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