年度總結(jié)報(bào)告西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目鋼管混凝土拱橋、施工及養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究（專題二之子課題三）鋼管混凝土拱橋徐變問題研究目錄一、概述

二、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

三、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

四、模型卸載及加固處理

五、試驗(yàn)荷載六、試驗(yàn)內(nèi)容及加載工況

七、測試內(nèi)容及方法

八、徐變引起的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布理論研究

九、試驗(yàn)進(jìn)程十、主要試驗(yàn)結(jié)果及分析

一、概述

南縣茅草街大橋主橋是一座三跨連續(xù)自錨中承式鋼管混凝土系桿拱橋，跨徑布置為80+368+80m，中跨矢跨比f/L=1/5，邊跨矢跨比f/L=1/8.5，橋面寬16m。

主拱圈采用桁式斷面，由四根φ100cm鋼管組成，鋼管內(nèi)填C50混凝土，形成鋼管混凝土組合桁式截面。主跨拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.543。截面高度由拱腳的8m高變化至拱頂?shù)?m高，肋寬3.2m。吊桿間距8m。上弦管（內(nèi)注C50混凝土）下弦管（內(nèi)注C50混凝土）（吊桿處）平聯(lián)管（內(nèi)注C50混凝土）腹桿聯(lián)結(jié)系（吊桿處）

二、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

茅草街大橋規(guī)模很大，主跨跨徑在同類型橋梁中居國內(nèi)領(lǐng)先水平，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。平面和空間計(jì)算結(jié)果均表明：拱頂截面附近受力較大，鋼管應(yīng)力水平偏高。為找出鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)在受力規(guī)律，把握其應(yīng)力分布規(guī)律，為施工圖設(shè)計(jì)提供必要的參數(shù)和數(shù)據(jù)，有必要對受力較大應(yīng)力水平較高的拱頂區(qū)域進(jìn)行高性能鋼管混凝土受力特性分析及模型試驗(yàn)研究，以確保結(jié)構(gòu)安全，并為同類型橋梁結(jié)構(gòu)提供借鑒。

上弦管（Φ1000×24mm）

下弦管（Φ1000×18mm）腹桿（Φ550×10mm）聯(lián)結(jié)系（t=10mm，吊桿處）

（吊桿處）平聯(lián)管（Φ650×16mm）（非吊桿處）平聯(lián)管（Φ650×10mm）三、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)的整體思路是：從整體結(jié)構(gòu)中取出主跨拱頂區(qū)域約24米長作為隔離體，將隔離體截面的內(nèi)力作為模型的力學(xué)邊界條件，通過水平平行鋼絲及豎向鋼絞線采用千斤頂進(jìn)行加載，從而保證拱頂節(jié)段的應(yīng)力、變形狀態(tài)與實(shí)橋一致。四臺水平千斤頂錨固于地槽錨固于地槽錨固于地槽三臺豎向千斤頂1、模型相似比：1：52、模型材料選擇：

鋼和混凝土，材料彈模相似比為1:1

加載端板置于臺座上3、模型與實(shí)橋各物理量的相似關(guān)系在確定幾何和材料相似比之后，以相似原理為依據(jù)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。模型制作和加載布置嚴(yán)格按此表理論相似比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4、模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按上表所列理論相似關(guān)系來設(shè)計(jì)模型各主要尺寸，見下表。比較

項(xiàng)目實(shí)

橋模型備注材料管徑(mm)壁厚(mm)材料管徑(mm)壁厚(mm)上弦管Q235c10002416Mn2004.58內(nèi)注C50砼下弦管183.88腹桿A3鋼55010A3鋼1102

平聯(lián)管吊桿處A3鋼65016A3鋼1303內(nèi)注C50砼非吊桿處650101302

聯(lián)結(jié)系上A3鋼21310A3鋼422

中35110702

下21310422

吊桿外套鋼管A3鋼21310A3鋼422

模型試驗(yàn)的總體布置圖立面?zhèn)让?/p>

上、下弦管為結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件，實(shí)橋主拱圈上、下弦管分別采用壁厚24mm和18mm，直徑為1000mm的圓鋼管，管內(nèi)填C50混凝土。按相似原理和實(shí)際材料，模型上、下弦管壁厚分別采用4.8mm和3.6mm，直徑200mm的圓鋼管。實(shí)際模型上、下弦管壁厚分別采用4.58mm和3.88mm，直徑200mm的圓鋼管。鋼管的制作模型所有鋼管均采用鋼板卷曲焊接成管。其中上、下弦管分三段鋼管制作，然后將三段焊接成長4.8m的長鋼管。將此長鋼管按每隔0.4m依據(jù)上（下）弦管的弧度放樣經(jīng)大型微彎機(jī)預(yù)熱微彎成弧形鋼管。其它構(gòu)件（腹桿、平聯(lián)管及聯(lián)結(jié)系）均一次由鋼板焊接成管。5、模型制作管內(nèi)混凝土的澆注拱圈安裝好后，在加載板附近拱圈位置每根鋼管開一個6cm大的孔，灌入自流密實(shí)混凝土形成鋼管混凝土。配合比由試驗(yàn)確定，采用525#普通硅酸鹽水泥，用粒徑≤2cm的碎石和中等粒度的河砂作為骨料，并摻入混凝土外加劑以提高混凝土的性能。節(jié)段試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿菜?、試?yàn)?zāi)Ｐ托遁d及加固處理

在2004年4月3日，課題組對模型進(jìn)行超承載能力試驗(yàn)，但由于加載擋板發(fā)生較大變形，故試驗(yàn)中止。后來課題組針對加載擋板進(jìn)行了加固。在加載擋板側(cè)面各焊一塊厚20mm的鋼板五、試驗(yàn)荷載

1、結(jié)構(gòu)自重荷載從相似關(guān)系分析可知，材料密度的相似常數(shù)（λρ=5）很大，模型材料不可能有這么大的容重，對于靜力模型，密度的大小主要影響結(jié)構(gòu)自重，因此，可以采用配重的方法來模擬。配重量為結(jié)構(gòu)自重的4倍。項(xiàng)目上弦管(兩根)下弦管(兩根)板厚(mm)4.583.88鋼管每延米重G1(kN/m)2×0.23202×0.1972鋼管內(nèi)砼每延米重G2(kN/m)2×0.74372×0.7594密度相似比5:15:1空鋼管每米配重(kN)4×2×0.2324×2×0.1972鋼管砼每米配重(kN)4×2×0.74374×2×0.75941:4杠桿加載系統(tǒng)空鋼管每米配重(kN)2×0.23202×0.1972四根空鋼管每點(diǎn)配重(kN)0.4120鋼管砼每米配重(kN)2×0.97572×0.9566四根鋼管砼每點(diǎn)配重(kN)1.8550

配重根據(jù)各主要構(gòu)件荷載傳遞的路徑相同來進(jìn)行布置，應(yīng)盡量使構(gòu)件在配重后符合實(shí)際的受力特點(diǎn)，同時(shí)考慮到本次模型結(jié)構(gòu)配重的方便性，擬在拱圈鋼管位置豎向配重來實(shí)現(xiàn)。

2、活載內(nèi)力由設(shè)計(jì)院提供的內(nèi)力結(jié)果，經(jīng)相似關(guān)系換算而得。模型設(shè)計(jì)中采用1:4杠桿系統(tǒng)加載。拱圈共分10個點(diǎn)進(jìn)行配重。每點(diǎn)配重175kg（掛籃自重0.5kg）。六、試驗(yàn)內(nèi)容及工況

1、試驗(yàn)內(nèi)容A、模型材料性能試驗(yàn)包括鋼材的抗拉壓強(qiáng)度，彈性模量；混凝土的抗拉壓強(qiáng)度，彈性模量的測試，以及容重和泊松比的測試等。前期還須對相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行測試標(biāo)定。

B、應(yīng)力、變形測試

對節(jié)段模型在空鋼管狀態(tài)、成橋狀態(tài)、正常使用及承載能力極限狀態(tài)下的應(yīng)力及變形狀態(tài)、截面應(yīng)力分布規(guī)律及超載下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行試驗(yàn)。

2、試驗(yàn)工況

根據(jù)茅草街大橋的施工過程劃分及該橋受力特點(diǎn)，確定本次模型試驗(yàn)分6種工況：工況試驗(yàn)內(nèi)容備注1空鋼管受力狀態(tài)模擬主拱圈鋼管吊裝完畢后，空鋼管受力研究。2鋼管混凝土受力狀態(tài)模擬主拱圈鋼管壓注砼后，鋼管和混凝土兩者受力研究。3成橋狀態(tài)全橋合攏至成橋狀態(tài)，鋼管和混凝土兩者應(yīng)力分配規(guī)律研究。4正常使用極限狀態(tài)研究鋼管混凝土拱頂截面在最不利狀態(tài)下的應(yīng)力分配規(guī)律。5徐變試驗(yàn)研究鋼管及混凝土的應(yīng)變變化情況61.4倍承載能力極限狀態(tài)研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的超載性能。7超載下的徐變觀測研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在超載情形下的徐變性能。81.5倍承載能力極限狀態(tài)研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在徐變完成下的超載性能。3、加載方法根據(jù)試驗(yàn)荷載分析結(jié)果，在得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕稀⑾孪夜軆啥藘?nèi)力值大小之后，為便于模型采用千斤頂加載，將上、下弦管兩端內(nèi)力換算到上、下弦管兩端的加載板上，加載的具體布置下圖。錨固于地槽錨固于地槽錨固于地槽豎向千斤頂提供吊桿拉力水平千斤頂提供軸力加載端板置于臺座上4、加載大小

根據(jù)試驗(yàn)荷載分析結(jié)果加載方法，在得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕稀⑾孪夜軆啥说募虞d板上，各位置加載大小列于下表。

工況試驗(yàn)內(nèi)容加載大?。╧N）每點(diǎn)配重(共10個)每點(diǎn)實(shí)際配重邊吊桿(1個)中吊桿(2個)上弦管P上下弦管P下

空鋼管受力狀態(tài)①0.2060.1535002×452×25②0.4120.307002×902×501鋼管混凝土受力狀態(tài)①1.13351.02853.23.22×1702×125②1.8551.756.46.42×2502×2002成橋狀態(tài)①1.8551.759.559.552×3702×290②12.712.72×4902×3803正常使用極限狀態(tài)①1.8551.7520.9820.982×527.52×413.5②29.2629.262×5652×4474承載能力極限狀態(tài)

1.8551.7535.88435.8842×6932×549.81.1×承載能力①1.8551.7539.47239.4722×762.32×604.81.2×承載能力②1.8551.7535.88435.8842×831.62×6601.3×承載能力③1.8551.7546.65046.6502×900.92×714.71.4×承載能力④1.8551.7550.23850.2382×970.22×7701.5×承載能力⑤1.8551.7553.82653.8262×1039.52×824.7七、或測試槐內(nèi)容遍及方求法1、位隸移測爐試面內(nèi)既位移圣：沿紀(jì)主拱控圈各逼弦管近中軸偏線布勻置6個百推分表乏測量高中軸就線豎挎向位酬移。側(cè)向饒位移威：沿究主拱寫圈兩偽側(cè)橫斑向搭蕩設(shè)反息力架誕，在般上、俯下弦州管吊準(zhǔn)桿位獲置處娛布置3個百蜻分表甘量測榴主拱年圈側(cè)蘿向位故移。2、應(yīng)炎變測曾試以拱列頂截移面附談近作項(xiàng)為主臉要測遞試截尾面，層沿拱柳頂截惡面周談圍均濁勻布更置各暗個縱重向和騾環(huán)向晶測點(diǎn)丹（管似內(nèi)砼歲相應(yīng)菠位置把砼應(yīng)嶼變計(jì)輛），傍采用紗箔式匹應(yīng)變團(tuán)片。采用息巡測鴨儀進(jìn)姜行測儲試，棕加快沿?cái)?shù)據(jù)棗采集僑速度懶，確仁保測灘試精犧度。3、豎墊向反誰力測挽試保證匯結(jié)構(gòu)通配重羞和吊愧桿拉須力的動施加居量與兄理論吸計(jì)算間值是于否一埋致。4、測左點(diǎn)布懂置百分些表測量刮千斤豆頂張擦力大字小的壓力臟計(jì)（喉共4個）測量岡配重敬和吊棄桿拉禽力大錯小的反力以計(jì)（竿共4個）平行察鋼絲豎向擺吊桿鋼管貢及混彈凝土肆振弦喝式絕贈對應(yīng)施變計(jì)意的位欄置混凝跌土應(yīng)曲變計(jì)予：16個鋼管伙應(yīng)變民計(jì)：6個八、臣徐變近引起榮的鋼兄管混業(yè)凝土娃結(jié)構(gòu)巾應(yīng)力萍重分耍布理扒論研揪究（一國）基塔本假羅定1）徐戴變應(yīng)疼力與從應(yīng)變奪成正喇比關(guān)艷系，劇即符塑合線耗性徐駕變理餓論；2）鋼辯管與輪混凝圣土之紀(jì)間粘趕結(jié)良塞好，辣兩者詠協(xié)同齊變形憐，截專面變悔形符頓合平做截面渣假定瞇；3）不訊考慮蕉鋼管庭和混左凝土茂之間跨的緊舌箍力鄉(xiāng)豐對截劫面應(yīng)另力重爭分布兼的影近響，暈所以能混凝盤土的躍徐變飼計(jì)算胳采用時(shí)單軸編應(yīng)力洞狀態(tài)味下的玩徐變未理論廊。（二頂）鋼汽管混界凝土份徐變墾系數(shù)鑰的選憂取1）《公路景鋼筋逃混凝桿土及膀預(yù)應(yīng)眨力混慎凝土貌設(shè)計(jì)涼規(guī)范盡－19姓85查》附錄杯四給踩出的合徐變艷系數(shù)藏：2）《公路京鋼筋炒混凝礙土及套預(yù)應(yīng)支力混加凝土招設(shè)計(jì)懼規(guī)范值－20癢04澆》中的齊徐變徹系數(shù)丘公式（三棕）公殿式推獻(xiàn)導(dǎo)1）徐圾變自拒應(yīng)力鴉的計(jì)熱算從變羅形協(xié)嫌調(diào)條折件出古發(fā)，必利用簡自平把衡原聽理、踏本構(gòu)鏈關(guān)系厘，推休導(dǎo)了哀徐變番自應(yīng)逝力計(jì)城算公汽式徐變吉自應(yīng)晚力增正量公安式鋼管刊的應(yīng)狂力增宅量其中久：接上歲頁2）超讀靜定眠組合表結(jié)構(gòu)繭的徐如變次配內(nèi)力戰(zhàn)及徐鏡變次飾應(yīng)力利用獨(dú)矩陣差位移若法，把接著驕按剛僵度進(jìn)拍行內(nèi)橫力分蠅配，口可超鏡靜定惹結(jié)構(gòu)孟中由末于徐銀變引利起的杜次應(yīng)秩力增請量鋼管雨應(yīng)力極：混凝濾土應(yīng)完力將徐加變自附應(yīng)力永與徐獲變次跪應(yīng)力何疊加吼，可園得徐停變應(yīng)喇力：最后鼻，可歐得由陵荷載鑼及混絞凝土匙徐變留引起玩的應(yīng)忌力增院量公紀(jì)式鋼管蕩應(yīng)力譜為：結(jié)構(gòu)誘截面慕在時(shí)爸段燦內(nèi)的填總應(yīng)宋力為陵：混凝炮土應(yīng)綠力為糠：（四卸）程汗序編崇制在上吐述理遼論基帳礎(chǔ)上提，結(jié)奧合有顯限單避元法薯，考犁慮密仁閉混遣凝土趙徐變禁特性緞，使貼用Fo奪rt護(hù)ra那n曠Po辱we須rS抄ta躁ti梁on麥4持.0編制節(jié)了相暮應(yīng)的精徐變趴分析月程序CF嚴(yán)ST戚CR涂EE耍P。已經(jīng)完成工作九、紗試驗(yàn)課進(jìn)程模型鋼材拉伸試驗(yàn)，測定材料特性完成模型的制作、安裝和儀器調(diào)試工作進(jìn)行第一階段模型試驗(yàn)：完成模擬空鋼管受力和澆注管內(nèi)混凝土狀態(tài)兩種工況混凝土養(yǎng)護(hù)階段第二階段試驗(yàn)。完成成橋狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)兩種工況并測定混凝土強(qiáng)度等級鋼管混凝土收縮徐變觀測得到鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律。已經(jīng)完成工作第三階段試驗(yàn)－承載能力（超載）試驗(yàn)。實(shí)際加載時(shí)，按照承載能力極限狀態(tài)下的組合內(nèi)力的1.4倍加載。最終由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢啥说募虞d板出現(xiàn)較大的變形，而使試驗(yàn)荷載無法繼續(xù)施加，中止試驗(yàn)。在承載能力極限狀態(tài)下進(jìn)行了半年徐變觀測對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了卸載。接著對試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募虞d擋板進(jìn)行加固處理承載能力（超載）重新試驗(yàn)，實(shí)際施加荷載達(dá)到了按照設(shè)計(jì)承載能力極限狀態(tài)下組合內(nèi)力的1.5倍。模型責(zé)用鋼謹(jǐn)材的死材性胡試驗(yàn)空鋼賄管的柿定位鋼管攏內(nèi)預(yù)投埋混眾凝土墾應(yīng)變伏計(jì)灌注帶管內(nèi)蜻混凝參土正在骨試驗(yàn)下一壤階段蟻的工捆作：進(jìn)行漿鋼管梢混凝寇土拱搜橋結(jié)搶構(gòu)設(shè)俯計(jì)理雞論及殃設(shè)計(jì)勇方法絨的研救究。十、勇主要專試驗(yàn)鏡結(jié)果摔及分局析（1）在震正常炸使用衰持荷蝴狀態(tài)襯下，師拱頂蹄上弦礙鋼管得混凝竹土中蝴混凝機(jī)土上緣應(yīng)力液由9.事17散MP端a下降伐至6.繪29智4M質(zhì)Pa；減所少了2.寇87茅6康MP鑼a，為拍原來褲的31昆.3％；遍上弦溜鋼管滔混凝嚇土中刻混凝失土下緣應(yīng)力建由原掃來的8.找89挖MP弄a下降準(zhǔn)至4.環(huán)58漁5M隔Pa，混件凝土護(hù)應(yīng)力殺減少攻了4.華30腹5羅MP擔(dān)a，為插原來邀的48屆.4％。1、正妻常使伍用極袖限狀觸態(tài)下襖，試筐驗(yàn)結(jié)釀果與屬計(jì)算禾相比豎較基薦本吻糧合；2、在1.訓(xùn)5倍承歲載能夢力極撐限狀破態(tài)下油，試塌驗(yàn)結(jié)逮果均詠小于余理論計(jì)算啟結(jié)果瞧；3、鋼暴管混咬凝土改徐變適試驗(yàn)每分析主要怒結(jié)論砌：十、獸主要螺試驗(yàn)滋結(jié)果陵及分寄析（妄續(xù)一丑）（2）由僻于混腫凝土況發(fā)生趟徐變沿，在際正常珍使用親持荷擦狀態(tài)勇下，宵拱肋旁上弦示鋼管上緣應(yīng)力獨(dú)由原糕來的15拐7.刃8M頂Pa增加愉至18染5.已61觸MP神a，增牌加了27及.8躺1M稼Pa，為17家.6％；作拱肋過上弦怪鋼管下緣應(yīng)力勤由原曉來的16鉗2.閑12柔MP辜a增加私至18沖8.效90趕MP搏a，應(yīng)耗力增鏡加了26舉.7虎8M絮Pa，為16沒.5％。（3）混日凝土罷的應(yīng)害變變句化曲椒線來川看，漂上弦五管最薦大徐誰變量遲為3.重57票MP抗a，降吸低了38球.9％；愚下弦忙管最帥大徐紹變量抓為4.劫69禾MP摔a，降臥低了52臉.7％。眾從鋼零管應(yīng)壓變增越長曲疼線來器看，捆拱肋初上弦房誠上緣墨最大赤應(yīng)力餐增長長量為33稍.5犁8M焰Pa，增放加了21憑.3％；摧拱肋姻下弦僚下緣斜最大柱應(yīng)力填增長葵量為31懇.7肥2M轎Pa，增捉加了19突.6％。（4）從梳上圖尊應(yīng)變廉變化右曲線搏可以社看出青，混瞞凝土敗徐變浩總量召的90％發(fā)候生在溪正常曲使用皮持荷蝦狀態(tài)甩下的勿第一姓年；疲第二碰年仍態(tài)然有潮徐變燈，在倡結(jié)構(gòu)株分析珠時(shí)應(yīng)父計(jì)入毀；在銷正常者使用爭持荷柳下徐既變兩晉年后錫，即蠻使增膝大荷缺載，加在承派載能銷力持大荷狀脆態(tài)下臘，混廚凝土狹徐變鐵增加爺很小明，幾辛乎停捕止。十、練主要效試驗(yàn)閣結(jié)果浮及分根析（家續(xù)二藍(lán)）（5）對訴于鋼所管混你凝土屆拱橋禽，由巖于核渣心混滴凝土答徐變承導(dǎo)致薯鋼管您與混佩凝土梳之間快應(yīng)力鉗重分士布，鬼導(dǎo)致病鋼管聚應(yīng)力匠增大電，混覺凝土聲應(yīng)力鄙減小革，混冤凝土淡的最需大卸福載量涉為初蘋始應(yīng)晌力的52悠.7％，葬鋼管凳應(yīng)力值的最甚大增擴(kuò)長量唇為21漠.3％。（6）從覆混凝舌土徐桂變發(fā)舍展曲盆線來擦看，聲在第68真4天，西模型營進(jìn)一那步加竭載，酸達(dá)到箭承載常能力勉極限傅狀態(tài)由，混讓凝土取應(yīng)力汽增加扛，但蹄混凝法土徐跡變發(fā)剛展趨盯勢不朋會改沙變。（7）從啟