簡支小箱梁橋橫向應(yīng)力分布模型試驗研究

周思源

中鐵十八局集團第五工程有限公司 上海 200444

道路橋梁的建設(shè)對于經(jīng)濟的增長有很大的促進作用，但人們對道路橋梁從多方面提出了更高的要求，比如行車時的舒適度、橋梁的耐久性和安全性等。

從受力性能、外觀和經(jīng)濟上看，簡支小箱梁橋有很大的優(yōu)點，因此，在近年來的橋梁建設(shè)中，小箱梁橋的使用越來越廣泛[1-5]。針對小箱梁橋的受力特點，我國學(xué)者展開了多方面、大規(guī)模的研究。

余泉[6]改變傳統(tǒng)的簡支T梁橋體系的剛接板梁法荷載橫向分布理論及平面分析方法，研究和探討小箱梁橋的受力行為以及設(shè)計計算方法；劉曉鳴等[7]以某一裝配式小箱梁橋為例，利用不同的計算方法分別對其進行荷載橫向分布的計算，同時根據(jù)梁格理論建立空間有限元模型進行驗算；鐘小軍[8]以某裝配式小箱梁橋為例，發(fā)現(xiàn)剛接板梁法及空間有限元法計算的結(jié)果和實測結(jié)果較為接近；錢寅泉等[9]采用空間有限元法對小箱梁的荷載橫向分布系數(shù)進行了研究；陳翠麗[10]借助橋梁專業(yè)分析軟件Midas Civil，對結(jié)構(gòu)進行空間梁格分析，得到了橫向分布系數(shù)；鐘亞麗等[11]根據(jù)帶翼小箱梁橋的特點，對提出的理論與剛接板法和鉸接板法計算以及實橋的試驗結(jié)果做對比，認為對于未設(shè)置橫隔板的小箱梁，采用鉸接板法計算橫向分布系數(shù)較為合理；楊美良等[12]運用Ansys軟件研究不同斜交角度下小箱梁跨中荷載橫向分布影響線以及荷載橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律，并以實際橋梁進行驗證。

上述研究多采用理論分析或者有限元建模的方法研究小箱梁橋的受力特點和橫向分布規(guī)律，制作模型模擬實際工程的研究較少[13-15]。

因此，本文基于上述研究基礎(chǔ)，采用有機玻璃制作小箱梁橋模型，研究在不同工況下梁的橫向應(yīng)力分布，為實際工程提供理論指導(dǎo)。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 模型制作

本次試驗以某實際小箱梁橋為工程背景，按照1∶20制作無內(nèi)橫梁的簡支小箱梁模型。模型材料為有機玻璃，其彈性模量為2 800 MPa，泊松比為0.35。選取有機玻璃作為模型材料是由于其具有高強度、低成本特性，且本次試驗主要測量跨中撓度和應(yīng)變，這2個參數(shù)同時也是實橋模擬主要參數(shù)，經(jīng)過換算后能夠滿足相似原則。模型全長1.5 m，寬度0.62 m，模型的橫截面尺寸如圖1所示。試驗設(shè)備及加載方式如圖2所示。

圖1 小箱梁模型橫截面示意

圖2 試驗設(shè)備與加載方式

1.2 工況設(shè)計及加載

試驗采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的砝碼對模型施加荷載，加載時先放1個砝碼，待穩(wěn)定后再接著放下一個，加載控制值為60 kg。

設(shè)計8種不同的加載工況，沿橫向加載點為1號梁和2號梁的中心處，沿縱向則為橋長的1/8、1/4、3/8和1/2處。其中梁橫向坐標(biāo)的原點為圖中1號梁最左端點處，向右為坐標(biāo)正向，不同的加載工況見表1。

在4個截面的位置布置應(yīng)變和撓度測點，以測定模型在不同加載工況下的應(yīng)變和撓度。采用提前安裝好的應(yīng)變儀和百分表讀取模型的應(yīng)變和撓度。加載之前粘貼應(yīng)變片，設(shè)置好撓度測定裝置，并將儀表歸零。加載完成后，待模型的變形完全穩(wěn)定時測記讀數(shù)，然后分步撤去砝碼，進行下一個工況的加載，并重復(fù)以上操作。

2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)應(yīng)變儀和百分表獲得的數(shù)據(jù)，分別進行小箱梁在不同加載工況下的橫向分布規(guī)律研究。其中撓度由百分表獲得，并在此基礎(chǔ)上假設(shè)梁受力大小和梁的撓度成正比，從而得到梁荷載橫向分布的規(guī)律。

表1 不同的加載工況位置

2.1 小箱梁的撓度分析

小箱梁在砝碼施加的集中荷載下產(chǎn)生一定的撓度，在不同的位置處加載并通過預(yù)先布置的測定儀器獲得不同位置處小箱梁的撓度大小。圖3展現(xiàn)了在不同工況下，小箱梁中間截面部分撓度大小隨橫向位置的變化規(guī)律。

圖3 不同工況下小箱梁撓度分布規(guī)律

由圖3可以看出，在工況1—4下，隨著橫向位置的增大梁的撓度減小，即越遠離荷載作用的位置，小箱梁的撓度越小。但不同的工況下，撓度減小的幅度不一致，其中工況4的變化幅度最大，工況1的變化幅度最小。對比4條曲線可以發(fā)現(xiàn)，從工況1到工況4，小箱梁的撓度逐漸增大，工況4的撓度整體上變化最大。在工況5—8下，小箱梁的撓度沿橫向分布相對均勻，在橫向20 cm處曲線均下凹。工況5—8相比于工況1—4，梁的受力情況更合理，產(chǎn)生的撓度相對較小。

2.2 小箱梁的撓度影響線分析

為了便于分析和比較，將不同測點處梁的撓度代數(shù)和化為1。以橫向位置為橫坐標(biāo)，單片梁撓度值與各片梁撓度值之和的比值為縱坐標(biāo)做出不同工況下跨中截面處的影響線豎標(biāo)值，如圖4所示，由影響線可推算荷載橫向分布規(guī)律。由圖4可以看出，撓度的分布差別很小，越靠近荷載作用的地方，梁的撓度越大。

圖4 不同工況下小箱梁影響線

2.3 小箱梁內(nèi)力分析

通過粘貼的應(yīng)變片可以獲得不同工況條件下，小箱梁在4根梁處產(chǎn)生的應(yīng)變，并假設(shè)小箱梁處于彈性階段，將應(yīng)變乘上彈性模量獲得小箱梁在對應(yīng)位置的應(yīng)力大小，再乘上對應(yīng)截面的截面模量即可獲得其彎矩。繪制工況4和工況8條件下，荷載在不同截面處產(chǎn)生的彎矩隨梁號的變化規(guī)律圖（圖5）。

圖5 工況4與工況8不同截面位置處彎矩橫向分布

由圖5可以看出，在工況4和工況8條件下，橋長1/8截面處梁的彎矩橫向分布均勻，幾乎呈一條直線，且其大小相近，說明離荷載作用位置越遠的地方，梁的彎矩分布越均勻，且其值也越小。荷載作用于1號梁中間截面時，彎矩隨著梁號的增大而減小，彎矩的變化規(guī)律近似呈線性變化，其中1號梁的彎矩最大；而當(dāng)荷載作用于2號梁中間位置時，2號梁中間截面處的彎矩最大?？梢钥闯?，小箱梁承受的彎矩由不同的梁承擔(dān)，但彎矩的分布不夠均勻和合理，可考慮在小箱梁的中間增設(shè)內(nèi)橫梁，使彎矩傳遞到相鄰的橫梁上，從而使小箱梁的受力更加合理、更加均勻。

3 結(jié)語

通過模型試驗測得的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：

1）遠離荷載作用的位置，小箱梁的撓度減小，不同工況下，撓度減小的幅度不一致。

2）荷載作用附近的撓度和彎矩分布不均勻，距作用點越遠，梁的受力情況越合理。

3）可通過在小箱梁橋的中間增加內(nèi)橫梁以改善其受力情況，提高其承載能力。