曹一山，徐　強(qiáng), 李克冰

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京　100088；2.北京交通大學(xué)　土木建筑工程學(xué)院，北京　100044)

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大跨度拱形鋼塔斜拉橋模型試驗(yàn)研究

曹一山1，徐強(qiáng)1, 李克冰2

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京100088；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

摘要：為了對(duì)大跨度拱形鋼塔斜拉橋的力學(xué)行為特性進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，以之江大橋?yàn)楣こ瘫尘皩?duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。首先介紹了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊M，證明了試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芎芎玫胤从硨?shí)際結(jié)構(gòu)的受力性能。最后對(duì)組裝成橋的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行了4個(gè)工況的加載試驗(yàn)，并以中跨跨中最大彎矩的工況為例對(duì)主塔應(yīng)力和主梁變形的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)橋計(jì)算結(jié)果折算值較為接近，實(shí)際結(jié)構(gòu)有較大的安全儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼拱塔斜拉橋; 模型試驗(yàn)；受力特性；彎矩

0引言

隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)橋梁美觀的要求進(jìn)一步提高，不斷追求斜拉橋形式上的突破以及與周圍環(huán)境的和諧融合。拱塔斜拉橋作為一種新型的斜拉橋橋型，以其美觀的造型、新穎的構(gòu)思，應(yīng)運(yùn)而生。最早的拱形索塔斜拉橋(1997年)出現(xiàn)在人行天橋上，即日本美秀美術(shù)館人行橋，橋塔形式為斜鋼箱拋物線形索塔。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2012年底，國(guó)內(nèi)外已建或在建的拱塔斜拉橋已有20座[1-3]。同時(shí)需要指出的是，拱塔斜拉橋受力復(fù)雜，拱塔在斜拉索的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的水平推力，需采取措施平衡這種水平力，從而導(dǎo)致截面形式及斜拉索錨固形式成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，因此有必要對(duì)一些主要的技術(shù)問(wèn)題以及結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)性能進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn)研究，以校核設(shè)計(jì)的合理性，為原橋結(jié)構(gòu)的施工提供一定的理論指導(dǎo)，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。

1工程概況

之江大橋是杭新景高速公路延伸線跨越錢(qián)塘江的一座特大型公路橋梁，主橋設(shè)計(jì)為(116+246+116)m三跨空間雙索面拱形鋼塔斜拉橋，采用半漂浮體系結(jié)構(gòu)。主橋索塔為拱形鋼結(jié)構(gòu)，塔高90.5 m，中軸線采用橢圓曲線，長(zhǎng)半軸長(zhǎng)為73.95 m，短半軸長(zhǎng)22.2 m；塔柱橫向?qū)?.6 m，縱向由上至下均呈線性變化；塔頂處寬4.0 m，塔柱底寬6.0 m；斷面采用單箱三室形式，鋼塔柱底設(shè)置鋼塔柱與承臺(tái)及塔座連接的鋼混連接段。主橋主梁為流線形鋼箱，單箱多室，兩側(cè)邊室為風(fēng)嘴兼人行道，梁高3.5 m(箱外尺寸)，全寬41.36 m(含風(fēng)嘴)，頂板厚16 mm。主梁以及索塔主體結(jié)構(gòu)均采用Q345D鋼材，拉索采用抗疲勞性能較好的環(huán)氧涂層防護(hù)的鋼絞線斜拉索，之江大橋主橋總體布置如圖1所示[4-6]。

圖1　之江大橋橋型總體布置圖(單位：cm)Fig.1　Layout of Zhijiang bridge (unit: cm)

2試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)

2.1模型相似準(zhǔn)則

靜力試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的相似需滿足3個(gè)方面的要求[2]：

(1)幾何相似：對(duì)于三向應(yīng)力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模型，各方向的幾何尺寸應(yīng)保持相似；對(duì)于二向應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)模型，只需平面幾何尺寸保持幾何相似，厚度就不一定要求相似。

(2)物理參數(shù)相似：模型與原型荷載性質(zhì)、大小等都需滿足相似要求，方向則必須相同。

(3)邊界條件相似：模型與原型支撐條件、支撐位置等均應(yīng)保持相同或相似。

本文模型為組合體系，主梁采用鋁合金材料，斜拉索為高強(qiáng)彈簧鋼絲，實(shí)橋主梁為鋼材，斜拉索為高強(qiáng)鋼絞線，使得彈性模量作為單獨(dú)的物理量不合理，因此采用剛度近似法確定相關(guān)模型的尺寸，并把EA,EI,EW作為復(fù)合物理量來(lái)確定相似關(guān)系[7-10]。

1.2模型總體設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地情況和研究經(jīng)費(fèi)等因素確定模型的幾何縮尺比為1∶33，由此確定模型總體尺寸如下：(1)橋跨布置：3.537+7.500+3.537=14.574 m;(2)主塔高：2.759 m;(3)塔腳間距：1.326 m。

模型總體布置如圖2所示。

模型試驗(yàn)的組裝和加載試驗(yàn)全過(guò)程在舊橋檢測(cè)與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷默F(xiàn)場(chǎng)情況，如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷默F(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3　Photo of field test model

2.3試驗(yàn)?zāi)M工況

使用階段模型活載以實(shí)橋設(shè)計(jì)荷載為原型，進(jìn)行加載相似計(jì)算。將實(shí)橋公路I級(jí)荷載按車道數(shù)進(jìn)行折減換算，再將車道荷載按模型荷載相似關(guān)系換算為模型理論加載值。實(shí)施模型試驗(yàn)時(shí)，為模擬實(shí)橋在最不利受力狀況下的變形情況與內(nèi)力變化情況，根據(jù)影響線加載方式[11]，選取4個(gè)最不利移動(dòng)荷載工況確定為靜力荷載工況，如下所述：(1)主跨跨中彎矩最大；(2)主跨1/4彎矩最大；(3)邊跨跨中彎矩最大；(4)塔頂水平位移最大。

3試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦碚撚?jì)算

利用有限元分析軟件MIDAS CIVIL建立了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊治瞿Ｐ?，如圖4所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某蓸蛩髁?，與實(shí)橋設(shè)計(jì)成橋索力按相似比折算的索力對(duì)比情況，如圖5所示，從圖中看出兩者誤差很小，可以證明試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)合理，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢院芎玫啬M實(shí)橋的受力情況[12]。

圖4　試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊Ｐ虵ig.4　Finite element model of test model

圖5　模型成橋索力對(duì)比圖Fig.5　Comparison chart of cable forces of bridge model

4試驗(yàn)結(jié)果分析

由于篇幅的限制，以工況1(中跨跨中彎矩最大)為例，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

4.1索力對(duì)比情況

圖6　索力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比情況Fig.6　Comparison of measured value and theoretical value

模型主跨索力與邊跨索力對(duì)比情況如圖6所示，從圖中可以看出：中跨索力實(shí)測(cè)值1 693～2 794 N，邊跨索力實(shí)測(cè)值1 260～2 736 N，接近且略低于模型計(jì)算值和設(shè)計(jì)換算值。

4.2應(yīng)力對(duì)比情況

主塔應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)應(yīng)的對(duì)比情況如圖7所示，從圖中可以看出：主塔塔頂應(yīng)力實(shí)測(cè)值為0.6～1.3 MPa，主塔塔底應(yīng)力實(shí)測(cè)值為4～18 MPa，實(shí)測(cè)值和理論值比較接近，且實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，理論計(jì)算是偏安全的。

圖7　應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比情況Fig.7　Comparison of measured value and theoretical value of pylon bottom stress

4.3主梁位移對(duì)比情況

主梁豎向位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)應(yīng)的對(duì)比情況如圖8所示，從圖中可以看出：主梁位移理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值分布規(guī)律一致，且以中跨跨中向兩邊跨呈對(duì)稱分布，對(duì)稱位置主梁位移基本相同，中跨跨中位移最大，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為一致，實(shí)測(cè)位移最大值為3.86 mm。

圖8　主梁豎向位移對(duì)比情況Fig.8　Comparison of vertical displacements of main girder

5結(jié)論

本文以之江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)拱形鋼塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。得到的主要結(jié)論有：

(1)對(duì)于復(fù)雜的組合體系橋梁結(jié)構(gòu)，可以采用剛度近似法確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽纾袳A、EI、EW作為復(fù)合物理量來(lái)確定相似關(guān)系，經(jīng)過(guò)與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，證明設(shè)計(jì)得到的試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芎芎玫胤从硨?shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

(2)索力實(shí)測(cè)值1 693～2 794 N，邊跨索力實(shí)測(cè)值1 260～2 736 N，略低于模型計(jì)算值和設(shè)計(jì)換算值，拉索應(yīng)力有較大的安全儲(chǔ)備。

(3)塔塔頂應(yīng)力實(shí)測(cè)值為0.6～1.3 MPa，主塔塔底應(yīng)力實(shí)測(cè)值為4～18 MPa，實(shí)測(cè)值和理論值較為一致，且實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，理論計(jì)算是偏安全的。

(4)主梁位移理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值分布規(guī)律一致，結(jié)構(gòu)有良好的剛度。

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Experimental Study on Model of Long-span Cable-stayed Bridge with Arch-shaped Steel Pylon

CAO Yi-shan1，XU Qiang1，LI Ke-bing2

(1.Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088,China；2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China)

Abstract：In order to analyse and experimental verify the mechanical behavior characteristics of long-span cable-stayed bridge with arch-shaped steel pylon, taking Zhijiang river bridge as the engineering background, the model of this kind of structure is experimental researched. First, the design of the test model is introduced, then it is proved that the test model can well reflect the mechanical performance of actual structure by finite element simulation of the test model. Finally, the loading test on the test model of the assembled bridge under 4 conditions. Taking the condition of maximum bending moment of mid-span of central span for example, the test result of main pylon stress and main girder deformation are analysed. The result shows that the measured data are closer to the converted values of the real bridge calculation, and the actual structure has higher safety reservation.

Key words：bridge engineering; cable-stayed bridge with arch-shaped steel pylon; model test; mechanical characteristic；bending moment

收稿日期：2015-03-03

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015-9020)；浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011H17)

作者簡(jiǎn)介：曹一山(1979-)，男，河北豐寧人，博士.(cao_ysh@126.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.05.012

中圖分類號(hào)：U448

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)05-0073-05