吊杆安装学习.pptx

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1、一、概述南县茅草街大桥主桥是一座三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥，跨径布置为80+368+80m，中跨矢跨比f/L=1/5，边跨矢跨比f/L=1/8.5，桥面宽16m。第1页/共41页 主拱圈采用桁式断面，由四根100cm钢管组成，钢管内填C50混凝土，形成钢管混凝土组合桁式截面。主跨拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.543。截面高度由拱脚的8m高变化至拱顶的4m高，肋宽3.2m。吊杆间距8m。上弦管（内注C50混凝土）下弦管（内注C50混凝土）第2页/共41页二、试验目的 茅草街大桥规模很大，主跨跨径在同类型桥梁中居国内领先水平，结构受力复杂。平面和空间计算结果均表明：拱顶截面附近受力较

2、大，钢管应力水平偏高。为找出钢管混凝土结构的内在受力规律，把握其应力分布规律，为施工图设计提供必要的参数和数据，有必要对受力较大应力水平较高的拱顶区域进行高性能钢管混凝土受力特性分析及模型试验研究，以确保结构安全，并为同类型桥梁结构提供借鉴。上弦管（100024mm）下弦管（100018mm）第3页/共41页三、试验模型设计模型设计的整体思路是：从整体结构中取出主跨拱顶区域约24米长作为隔离体，将隔离体截面的内力作为模型的力学边界条件，通过水平平行钢丝及竖向钢绞线采用千斤顶进行加载，从而保证拱顶节段的应力、变形状态与实桥一致。四台水平千斤顶锚固于地槽锚固于地槽锚固于地槽三台竖向千斤顶1、模型相

3、似比：1：52、模型材料选择：钢和混凝土，材料弹模相似比为1:1 加载端板置于台座上第4页/共41页3、模型与实桥各物理量的相似关系 在确定几何和材料相似比之后，以相似原理为依据进行模型设计。模型制作和加载布置严格按此表理论相似比进行设计。项目 几何尺寸 弹模E 面积A惯矩I抵抗矩W集中荷载分布荷载材料密度应力应变变形相似关系 1/5 1/11/251/6251/1251/251/55/11/11/11/5第5页/共41页4、模型结构设计 按上表所列理论相似关系来设计模型各主要尺寸，见下表。比较 项目实 桥模 型备注材料管径(mm)壁厚(mm)材料管径(mm)壁厚(mm)上弦管Q235c100

4、02416Mn2004.58内注C50砼下弦管183.88腹 杆A3钢55010A3钢1102平联管吊杆处A3钢65016A3钢1303内注C50砼非吊杆处650101302联结系上A3钢21310A3钢422中35110702下21310422吊杆外套钢管A3钢21310A3钢422第6页/共41页模型试验的总体布置图立 面侧 面 上、下弦管为结构主要受力构件，实桥主拱圈上、下弦管分别采用壁厚24mm和18mm，直径为1000mm的圆钢管，管内填C50混凝土。按相似原理和实际材料，模型上、下弦管壁厚分别采用4.8mm和3.6mm，直径200mm的圆钢管。实际模型上、下弦管壁厚分别采用4.58

5、mm和3.88mm，直径200mm的圆钢管。第7页/共41页钢管的制作 模型所有钢管均采用钢板卷曲焊接成管。其中上、下弦管分三段钢管制作，然后将三段焊接成长4.8m的长钢管。将此长钢管按每隔0.4m依据上（下）弦管的弧度放样经大型微弯机预热微弯成弧形钢管。其它构件（腹杆、平联管及联结系）均一次由钢板焊接成管。5、模型制作管内混凝土的浇注拱圈安装好后，在加载板附近拱圈位置每根钢管开一个6cm大的孔，灌入自流密实混凝土形成钢管混凝土。配合比由试验确定，采用525#普通硅酸盐水泥，用粒径2cm的碎石和中等粒度的河砂作为骨料，并掺入混凝土外加剂以提高混凝土的性能。第8页/共41页节段试验模型全貌第9页

6、/共41页四、试验模型卸载及加固处理 在2004年4月3日，课题组对模型进行超承载能力试验，但由于加载挡板发生较大变形，故试验中止。后来课题组针对加载挡板进行了加固。在加载挡板侧面各焊一块厚20mm的钢板第10页/共41页五、试验荷载 1、结构自重荷载 从相似关系分析可知，材料密度的相似常数（=5）很大，模型材料不可能有这么大的容重，对于静力模型，密度的大小主要影响结构自重，因此，可以采用配重的方法来模拟。配重量为结构自重的4倍。项目上弦管(两根)下弦管(两根)板厚(mm)4.583.88钢管每延米重G1(kN/m)20.232020.1972钢管内砼每延米重G2(kN/m)20.743720

7、.7594密度相似比5:15:1空钢管每米配重(kN)420.232420.1972钢管砼每米配重(kN)420.7437420.75941:4杠杆加载系统空钢管每米配重(kN)20.232020.1972四根空钢管每点配重(kN)0.4120钢管砼每米配重(kN)20.975720.9566四根钢管砼每点配重(kN)1.8550第11页/共41页 配重根据各主要构件荷载传递的路径相同来进行布置，应尽量使构件在配重后符合实际的受力特点，同时考虑到本次模型结构配重的方便性，拟在拱圈钢管位置竖向配重来实现。2、活载内力由设计院提供的内力结果，经相似关系换算而得。第12页/共41页模型设计中采用1:

8、4杠杆系统加载。拱圈共分10个点进行配重。每点配重175kg（挂篮自重0.5kg）。第13页/共41页六、试验内容及工况 1、试验内容A、模型材料性能试验 包括钢材的抗拉压强度，弹性模量；混凝土的抗拉压强度，弹性模量的测试，以及容重和泊松比的测试等。前期还须对相关仪器设备进行测试标定。B、应力、变形测试 对节段模型在空钢管状态、成桥状态、正常使用及承载能力极限状态下的应力及变形状态、截面应力分布规律及超载下的结构性能进行试验。第14页/共41页2、试验工况根据茅草街大桥的施工过程划分及该桥受力特点，确定本次模型试验分6种工况：工况试验内容备 注1空钢管受力状态模拟主拱圈钢管吊装完毕后，空钢管受

9、力研究。2钢管混凝土受力状态模拟主拱圈钢管压注砼后，钢管和混凝土两者受力研究。3成桥状态全桥合拢至成桥状态，钢管和混凝土两者应力分配规律研究。4正常使用极限状态研究钢管混凝土拱顶截面在最不利状态下的应力分配规律。5徐变试验研究钢管及混凝土的应变变化情况61.4倍承载能力极限状态研究钢管混凝土结构的超载性能。7超载下的徐变观测研究钢管混凝土结构在超载情形下的徐变性能。81.5倍承载能力极限状态研究钢管混凝土结构在徐变完成下的超载性能。第15页/共41页3、加载方法根据试验荷载分析结果，在得到试验模型上、下弦管两端内力值大小之后，为便于模型采用千斤顶加载，将上、下弦管两端内力换算到上、下弦管两端的

10、加载板上，加载的具体布置下图。锚固于地槽锚固于地槽锚固于地槽竖向千斤顶提供吊杆拉力水平千斤顶 提供轴力加载端板置于台座上第16页/共41页4、加载大小根据试验荷载分析结果加载方法，在得到试验模型上、下弦管两端的加载板上，各位置加载大小列于下表。工况试验内容加载大小（kN）每点配重(共10个)每点实际配重边吊杆(1个)中吊杆(2个)上弦管P上下弦管P下空钢管受力状态0.2060.1535002452250.4120.307002902501钢管混凝土受力状态1.13351.02853.23.2217021251.8551.756.46.4225022002成桥状态1.8551.759.559.5

11、52370229012.712.7249023803正常使用极限状态1.8551.7520.9820.982527.52413.529.2629.26256524474承载能力极限状态1.8551.7535.88435.88426932549.81.1承载能力1.8551.7539.47239.4722762.32604.81.2承载能力1.8551.7535.88435.8842831.626601.3承载能力1.8551.7546.65046.6502900.92714.71.4承载能力1.8551.7550.23850.2382970.227701.5承载能力1.8551.7553.82

12、653.82621039.52824.7第17页/共41页七、测试内容及方法 1、位移测试 面内位移：沿主拱圈各弦管中轴线布置6个百分表测量中轴线竖向位移。侧向位移：沿主拱圈两侧横向搭设反力架，在上、下弦管吊杆位置处布置3个百分表量测主拱圈侧向位移。2、应变测试 以拱顶截面附近作为主要测试截面，沿拱顶截面周围均匀布置各个纵向和环向测点（管内砼相应位置砼应变计），采用箔式应变片。采用巡测仪进行测试，加快数据采集速度，确保测试精度。3、竖向反力测试 保证结构配重和吊杆拉力的施加量与理论计算值是否一致。第18页/共41页4、测点布置第19页/共41页百分表测量千斤顶张力大小的压力计（共4个）测量配重

13、和吊杆拉力大小的反力计（共4个）平行钢丝竖向吊杆第20页/共41页钢管及混凝土振弦式绝对应变计的位置混凝土应变计：16个钢管应变计：6个第21页/共41页八、徐变引起的钢管混凝土结构应力重分布理论研究（一）基本假定 1）徐变应力与应变成正比关系，即符合线性徐变理论；2）钢管与混凝土之间粘结良好，两者协同变形，截面变形符合平截面假定；3）不考虑钢管和混凝土之间的紧箍力对截面应力重分布的影响，所以混凝土的徐变计算采用单轴应力状态下的徐变理论。第22页/共41页（二）钢管混凝土徐变系数的选取 1）公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范1985附录四给出的徐变系数：2）公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规

14、范2004中的徐变系数公式 第23页/共41页（三）公式推导 1）徐变自应力 的计算 从变形协调条件出发，利用自平衡原理、本构关系，推导了徐变自应力计算公式徐变自应力增量公式 钢管的应力增量 其中：第24页/共41页接上页第25页/共41页2）超静定组合结构的徐变次内力及徐变次应力 利用矩阵位移法，接着按刚度进行内力分配，可超静定结构中由于徐变引起的次应力增量钢管应力：混凝土应力将徐变自应力与徐变次应力叠加，可得徐变应力：第26页/共41页最后，可得由荷载及混凝土徐变引起的应力增量公式 钢管应力为：结构截面在时段 内的总应力为：混凝土应力为：第27页/共41页（四）程序编制 在上述理论基础上，

15、结合有限单元法，考虑密闭混 凝土徐变特性，使用Fortran PowerStation 4.0编制了相应的徐变分析程序CFSTCREEP。第28页/共41页已经完成工作九、试验进程 2001年12月6日，模型钢材拉伸试验，测定材料特性2002年3月中旬完成模型的制作、安装和仪器调试工作2002年3月23日进行第一阶段模型试验：完成模拟空钢管受力和浇注管内混凝土状态两种工况2002年3月24日到4月21日，混凝土养护阶段2002年4月22日，第二阶段试验。完成成桥状态与正常使用极限状态两种工况并测定混凝土强度等级2002年4月23日到2004年4月，钢管混凝土收缩徐变观测得到钢管混凝土结构应力分

16、布规律。第29页/共41页已经完成工作2004年4月3日：第三阶段试验承载能力（超载）试验。实际加载时，按照承载能力极限状态下的组合内力的1.4倍加载。最终由于试验模型两端的加载板出现较大的变形，而使试验荷载无法继续施加，中止试验。2004年4月到10月，在承载能力极限状态下进行了半年徐变观测2004年11月，对试验模型进行了卸载。接着对试验模型的加载挡板进行加固处理2004年11月9日，承载能力（超载）重新试验，实际施加荷载达到了按照设计承载能力极限状态下组合内力的1.5倍。第30页/共41页模型用钢材的材性试验第31页/共41页空钢管的定位第32页/共41页钢管内预埋混凝土应变计第33页/

17、共41页灌注管内混凝土第34页/共41页正在试验第35页/共41页下一阶段的工作：进行钢管混凝土拱桥结构设计理论及设计方法的研究。第36页/共41页十、主要试验结果及分析（1）在正常使用持荷状态下，拱顶上弦钢管混凝土中混凝土上缘应力由9.17MPa 下降至6.294MPa；减少了2.876 MPa，为原来的31.3；上弦钢管混凝土中混凝土下缘应力由原来的8.89MPa下降至4.585MPa，混凝土应力减少了4.305 MPa，为原来的48.4。1、正常使用极限状态下，试验结果与计算相比较基本吻合；2、在1.5倍承载能力极限状态下，试验结果均小于理论 计算结果；3、钢管混凝土徐变试验分析主要结论

18、：第37页/共41页十、主要试验结果及分析（续一）（2）由于混凝土发生徐变，在正常使用持荷状态下，拱肋上弦钢管上缘应力由原来的157.8MPa增加至185.61MPa，增加了27.81MPa，为17.6；拱肋上弦钢管下缘应力由原来的162.12MPa增加至188.90MPa，应力增加了26.78MPa，为16.5。（3）混凝土的应变变化曲线来看，上弦管最大徐变量为3.57MPa，降低了38.9；下弦管最大徐变量为4.69MPa，降低了52.7。从钢管应变增长曲线来看，拱肋上弦上缘最大应力增长量为33.58MPa，增加了21.3；拱肋下弦下缘最大应力增长量为31.72MPa，增加了19.6。（4

19、）从上图应变变化曲线可以看出，混凝土徐变总量的90发生在正常使用持荷状态下的第一年；第二年仍然有徐变，在结构分析时应计入；在正常使用持荷下徐变两年后，即使增大荷载，在承载能力持荷状态下，混凝土徐变增加很小，几乎停止。第38页/共41页十、主要试验结果及分析（续二）（5）对于钢管混凝土拱桥，由于核心混凝土徐变导致钢管与混凝土之间应力重分布，导致钢管应力增大，混凝土应力减小，混凝土的最大卸载量为初始应力的52.7，钢管应力的最大增长量为21.3。（6）从混凝土徐变发展曲线来看，在第684天，模型进一步加载，达到承载能力极限状态，混凝土应力增加，但混凝土徐变发展趋势不会改变。（7）从徐变试验数据来看

20、，钢管混凝土具有徐变量值小，前期发展速度较快(但较普通混凝土而言其增长速度要慢得多)，后期逐渐平缓的特点。主要因为徐变所引起的荷载重分配导致核心混凝土受荷减小，因此核心混凝土后期徐变会减小，使得钢管混凝土结构的总体徐变效应不如普通混凝土结构突出。（8）通过试验结果和预测结果的比较可以看出，试验结果与预测结果吻合较好，说明计算方法的正确性，实验显示采用规范-1985建议的徐变系数可以反映钢管混凝土徐变特点，计算徐变系数时，各项参数选取建议如下：加载龄期为28天；环境湿度取90；构件理论厚度取1300mm。（9）钢管和混凝土应变增长在徐变前期非常接近，这说明钢管和混凝土的变形协调，满足平截面假定。但后期下弦的钢管应变增长大于混凝土的增长，可能原因是管顶混凝土有局部脱空现象，使得应变不协调，内力进一步在钢管和混凝土之间重分布，从而钢管应变增长加大。第39页/共41页汇报结束 谢 谢!第40页/共41页感谢您的观看！第41页/共41页