周廣盼　 李愛群,2　 李建慧　 端茂軍

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2北京建筑大學(xué), 北京 100044)(3南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210037)

車載作用下超寬混凝土箱梁自錨式懸索橋靜力特性

周廣盼1李愛群1,2李建慧3端茂軍1

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2北京建筑大學(xué), 北京 100044)(3南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210037)

摘要:為了探討超寬混凝土箱梁自錨式懸索橋在車載作用下的受力狀態(tài),通過實橋荷載試驗和ANSYS有限元分析,研究了結(jié)構(gòu)整體靜力特性以及超寬加勁梁的縱向應(yīng)力水平及其分布．試驗結(jié)果表明:在相當(dāng)于設(shè)計汽車荷載水平的試驗荷載下,主塔頂橫橋向位移較縱橋向明顯;受剪力滯效應(yīng)、橫坡及車輪局部效應(yīng)的影響,超寬加勁梁受力空間效應(yīng)明顯,對稱車載作用下加勁梁撓度沿橫橋向呈V形變化,最大可達35 mm,偏心車載作用下扭轉(zhuǎn)變形明顯;加勁梁頂、底板縱向應(yīng)力沿橫橋向呈不均勻分布,最大縱向應(yīng)力增量位于頂、底板與內(nèi)腹板交接處,對稱車載作用下頂板縱向應(yīng)力沿橫橋向呈M形變化;偏心車載作用下纜索系統(tǒng)受超寬加勁梁的空間效應(yīng)影響,兩側(cè)索面受力的不均勻性較為明顯．

關(guān)鍵詞:自錨式懸索橋;超寬混凝土加勁梁;有限元法;靜力特性;荷載試驗

隨著我國橋梁建設(shè)水平的提高,公路橋梁的實用性和觀賞性并重成為趨勢,混凝土自錨式懸索橋因其經(jīng)濟性、優(yōu)雅的外觀及合理的受力形式,在各類橋型中競爭力日益增強[1-3]．絕大多數(shù)自錨式懸索橋修建在城市公路交通要道上,起到交通樞紐的作用,城市交通量的增長促使橋梁寬度增至40～60m,以滿足車道數(shù)量增加的需要．車輛荷載直接作用于主梁上,使得自錨式懸索橋在車載作用下的整體力學(xué)行為備受關(guān)注,超寬混凝土箱梁的受力特性研究也因其復(fù)雜的受力狀態(tài)成為橋梁工程領(lǐng)域的重點問題之一．

目前,針對橋梁結(jié)構(gòu)車輛荷載作用效應(yīng)的研究主要通過數(shù)值分析[4]、縮尺模型試驗[5-6]及實橋試驗3種方法來實現(xiàn)．要準確掌握超寬箱梁自錨式懸索橋在車載作用下的受力狀態(tài),需要借助于現(xiàn)場靜動載試驗的實測結(jié)果,并結(jié)合理論計算分析進行驗證．目前,針對混凝土連續(xù)梁橋[7]、鋼箱梁斜拉橋[8]及鋼箱梁自錨式懸索橋[9]等橋型的實橋荷載試驗研究已較為普遍,而混凝土箱梁自錨式懸索橋的實橋靜動載試驗(尤其是針對超寬箱梁自錨式懸索橋的實橋荷載試驗)研究則較少．本文通過對山東湖南路自錨式懸索橋(簡稱湖南路大橋)進行靜動載試驗和理論分析,研究了超寬自錨式懸索橋在車載作用下的整體靜力特性,重點分析了超寬混凝土加勁梁的應(yīng)力水平及其橫橋向分布．

1工程概況

湖南路大橋主橋為三跨雙塔雙索面自錨式懸索橋,跨徑布置為53+112+53=218m,主梁采用兩箱六室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,并設(shè)置橫梁,寬度為52m,居目前國內(nèi)同類橋型寬度之首;主梁采用C50混凝土,主塔采用C40混凝土;主梁縱坡坡度為2.5%,橫坡坡度為1.5%;主纜中跨矢跨比為1/5.276,邊跨矢跨比為1/12.965,南北側(cè)主纜纜心間距為31.7m;全橋共37對吊桿,吊桿間距為5m,北纜吊桿自西向東編號依次為B1～B37,南纜吊桿自西向東編號依次為N1～N37．橋梁總體布置及加勁梁截面形式見圖1．圖中,CS1～CS9為主梁橫截面編號．

2結(jié)構(gòu)有限元分析

利用懸索橋解析法計算軟件[10]及施工監(jiān)控資料,迭代計算得到湖南路大橋成橋狀態(tài)的內(nèi)力和線形,利用ANSYS有限元軟件建立成橋狀態(tài)空間有限元模型(見圖2)．

(a) 總體布置圖

(b) 超寬加勁梁橫截面

(a) 整體模型

(b) 超寬混凝土箱梁模型

主塔、橫梁及超寬箱梁采用考慮翹曲的Beam188鐵木辛柯梁單元來模擬,并通過設(shè)置輸出控制選項得到環(huán)向應(yīng)力．根據(jù)超寬箱梁的實際截面形式及測點位置,利用ANSYS程序自定義截面功能進行多尺度截面網(wǎng)格劃分,在后處理中提取截面上各節(jié)點處的縱向應(yīng)力值,從而提高計算效率．箱梁與橫梁間采用無重Shell181板單元連接,以模擬橋面板．主纜、吊桿及預(yù)應(yīng)力鋼束采用Link10桿單元模擬,通過定義初應(yīng)變來施加主纜內(nèi)力、吊桿力及預(yù)應(yīng)力．主纜與塔頂、梁端間通過溫度剛臂連接,并采用升降溫度的方法模擬主纜作用下主塔及主梁的壓縮量．按照實際的支座類型進行塔梁及梁端自由度約束．二期鋪裝、塔頂裝飾段、引橋壓重、索鞍及索夾等采用Mass21質(zhì)量單元模擬．車輛荷載按實際加載車輛軸重等效為車輪集中力．為驗證數(shù)值模擬的可靠性,對有限元模型進行初始平衡狀態(tài)分析,并將結(jié)構(gòu)自振頻率、主梁豎向撓度及縱向應(yīng)力計算結(jié)果與橋梁施工全部完成后的實測數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果見表1～表3．由表可知,有限元模型計算結(jié)果與成橋時的實際狀態(tài)吻合良好．

表1　結(jié)構(gòu)自振頻率結(jié)果對比　Hz

表2　主梁道路中心線處豎向撓度結(jié)果對比　cm

注:豎向撓度向上時為正值,向下時為負值．

表3　主梁CS5截面縱向應(yīng)力結(jié)果對比 　MPa

注:縱向應(yīng)力正值為拉應(yīng)力,負值為壓應(yīng)力．

3試驗

全橋范圍內(nèi)選取10個試驗荷載效率控制部位,根據(jù)設(shè)計標準活載作用下的最不利效應(yīng)值,按照荷載效率系數(shù)0.95～1.05換算得到各試驗工況下的車輛布置．將12輛單車質(zhì)量45t的三軸車作為加載車輛,車輛前、中、后軸質(zhì)量分別為9,18,18t,車輛輪距及縱橫向間距見圖3(a)．靜載試驗分為11個工況進行．在邊跨跨中及中跨跨中位置分別進行對稱及偏心加載時,整體結(jié)構(gòu)的受力情況相對不利,故本文選取這4種工況進行對比分析,對應(yīng)的車輛加載位置描述見表4,加載車輛布置見圖3(b)．

主梁中跨CS5截面靜動載試驗測點分布圖見圖4,其余8個截面的測點布置與此相同．加勁梁撓度測點及頂、底板應(yīng)力測點用于考察車載作用下加勁梁變形及縱向應(yīng)力沿橫橋向的分布情況,采用全站儀測量加勁梁撓度,利用應(yīng)變采集儀及施工監(jiān)控期間預(yù)埋的振弦式應(yīng)變計測試頂、底板應(yīng)力;振動加速度及動撓度測點用于測試吊桿內(nèi)力、主梁加速度及撓度的變化,采用東華DH5920動態(tài)測試系統(tǒng)測試加速度及動撓度;主塔偏移及塔底應(yīng)力采用施工監(jiān)控期間設(shè)置的觀測棱鏡及振弦應(yīng)變儀進行測試．

(a) 車輛輪距及縱橫向間距

(b) 加載車輛布置

圖4　主梁CS5截面測點分布圖(單位:m)

工況編號加載分析截面橫向布置方式排列方式車輛起止位置對應(yīng)的吊桿編號1-1中跨CS5截面對稱加載4列3行17～211-2中跨CS5截面偏心加載2列6行14～242-1西邊跨CS2截面對稱加載4列3行2～62-2西邊跨CS2截面偏心加載2列6行1～8

4靜力特性分析

4.1結(jié)構(gòu)總體變形

圖5給出了中跨CS5截面在工況1-1和工況1-2車載作用下加勁梁豎向撓度的實測值及計算值．由圖可知,對稱車載作用下加勁梁實測最大撓度為-35mm,對應(yīng)的撓度測點位置位于CS5截面中心處,且撓度沿橫橋向呈V形變化,表明大橋?qū)ΨQ性及整體剛度良好;偏心車載作用下,CS5截面上、下游撓度實測值分別為-14和-37mm,加勁梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯,說明偏載對超寬加勁梁扭轉(zhuǎn)不利;加勁梁豎向撓度實測值與計算值較接近,表明計算模型較合理,可以準確地描述超寬加勁梁自錨式懸索橋整體的靜力行為．

圖6給出了西邊跨CS2截面在工況2-1和工況2-2車載作用下加勁梁豎向撓度的實測值及計算值．由圖可知,對稱車載作用下加勁梁實測最大撓度為-12mm,對應(yīng)的撓度測點位置位于CS2截面中心處,且撓度沿橫橋向呈V形變化;偏心車載作用下,由于邊跨的跨度及邊界條件與中跨不同,加勁梁的扭轉(zhuǎn)變形與工況1-2相比有所減弱,最大撓度僅為-8mm．

車載作用下東、西塔塔頂位移較對稱,縱、橫橋向位移最大值分別為12和15mm,且橫橋向位移較為明顯．由于設(shè)計吊點位置與箱梁截面剪力中心間存在橫橋向偏位,成橋時塔頂橫橋向最大位移已達25mm,故超寬主梁自錨式懸索橋運營期間主塔根部的受力狀態(tài)健康監(jiān)測值得關(guān)注．

(a) 加勁梁撓度縱橋向變化

(b) CS5截面撓度橫橋向變化

4.2超寬箱梁縱向應(yīng)力橫橋向分布

圖7為CS5截面和CS2截面在對稱及偏心車載作用下加勁梁頂、底板縱向壓應(yīng)力增量沿橫橋向的分布圖．由圖可知,各測點應(yīng)力實測結(jié)果與計算結(jié)果吻合良好,車載作用下頂、底板縱向應(yīng)力沿橫橋向呈不均勻分布,對稱車載作用下頂板縱向應(yīng)力沿橫橋向呈M形變化,最大縱向應(yīng)力增量位于內(nèi)腹板與頂、底板交接處,偏心車載作用下超寬加勁梁受力狀態(tài)的空間效應(yīng)明顯．究其原因在于:① 剪力滯效應(yīng)使得遠離腹板的挑臂段頂板縱向應(yīng)力增量小于靠近腹板的頂板應(yīng)力增量;② 受加勁梁頂板橫坡的影響,靠近道路中心線的頂板離加勁梁斷面中性軸的距離較其他部位遠,縱向應(yīng)力增量較大;③ 車輪局部效應(yīng)明顯,偏心車載作用下車輪直接作用位置的頂板縱向應(yīng)力明顯大于其他部分;④ 底板雖無車載直接作用,但受腹板的傳力作用,剪力滯及車輪局部應(yīng)力效應(yīng)也比較明顯．

(a) 加勁梁撓度縱橋向變化

(b) CS2截面撓度橫橋向變化

由表3和圖7可知,在相當(dāng)于設(shè)計汽車荷載水平的車載作用下,加勁梁中跨跨中截面的頂、底板縱向壓應(yīng)力儲備滿足要求．

4.3吊桿內(nèi)力

采用人工激勵振動法對吊桿受力相對不利的工況1-1和工況1-2(中跨跨中CS5截面對稱及偏心加載工況)下的部分吊桿內(nèi)力進行測試,恒載單獨作用、恒載與車載共同作用下吊桿內(nèi)力及增量的實測結(jié)果與計算結(jié)果對比見表5．由表可知,吊桿內(nèi)力增量實測值與計算值基本吻合,車載作用產(chǎn)生的吊桿內(nèi)力增量占恒載單獨作用時吊桿內(nèi)力的比例較小,最大僅為3.9%．工況1-1作用下南、北側(cè)索面吊桿內(nèi)力分布均勻,偏心車載直接作用下的南側(cè)索面吊桿內(nèi)力增量明顯高于北側(cè),表明偏心車載作用下超寬加勁梁受力的空間效應(yīng)使得纜索體系受力狀態(tài)的不均勻性也較為明顯．

(a) CS5截面,工況1-1

(b) CS5截面,工況1-2

(c) CS2截面,工況2-1

(d) CS2截面,工況2-2

表5　恒載及恒載與車載共同作用下的吊桿內(nèi)力及其增量　 kN

5結(jié)論

1) 在相當(dāng)于設(shè)計汽車荷載水平的車載作用下,結(jié)構(gòu)整體變形及應(yīng)力的計算結(jié)果與實測結(jié)果較為接近．對稱車載作用下加勁梁邊、中跨最大撓度分別為-12和-35mm,偏心車載作用下加勁梁邊、中跨最大撓度分別為-8和-37mm,車載作用下截面的撓度沿橫橋向變化明顯,對稱車載作用下呈V形變化,偏心車載作用下出現(xiàn)明顯扭轉(zhuǎn)變形,說明偏載對超寬加勁梁扭轉(zhuǎn)不利．主塔塔頂縱、橫橋向最大位移值分別為12和15mm,且橫橋向位移較為明顯,其根部受力狀態(tài)值得關(guān)注．

2) 超寬加勁梁受力空間效應(yīng)明顯,頂、底板縱向應(yīng)力沿橫橋向呈不均勻分布．受剪力滯效應(yīng)影響,遠離腹板的挑臂段頂板縱向應(yīng)力增量比靠近腹板的小;橫坡使得靠近中心線的頂板離斷面中性軸的距離較其他部位遠,縱應(yīng)力增量較大,對稱車載作用下頂板縱向應(yīng)力沿橫橋向呈M形變化,底板受腹板傳力作用,最大縱向應(yīng)力增量位于內(nèi)腹板與頂、底板交接處.

3) 超寬加勁梁的車輪局部效應(yīng)明顯,偏心車載作用下車輪直接作用位置的頂、底板縱向應(yīng)力大于其他部分;超寬加勁梁的空間效應(yīng)使得偏心車載作用時纜索體系受力狀態(tài)的不均勻性更加顯著,單向交通擁堵及重載車輛行駛側(cè)較為固定時,超寬加勁梁偏心車載作用更為明顯,吊桿受力狀態(tài)值得關(guān)注．

4) 針對類似超寬混凝土箱梁自錨式懸索橋,在增加腹板倒角及橫隔梁布置等既有優(yōu)化設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,可以通過適當(dāng)設(shè)置箱梁預(yù)拱度及增加體系轉(zhuǎn)換完成后箱梁上抬量的方式,提高超寬箱梁在運營期間超重車載、高溫作用及混凝土收縮徐變等因素影響下的受力性能．

參考文獻 (References)

[1]李建慧, 李愛群. 空間纜索自錨式懸索橋計算、監(jiān)控與評估 [M]. 北京: 人民交通出版社, 2011: 6-12.

[2]SunJ,ManzanarezR,NaderM.SuspensioncabledesignofthenewSanFrancisco-OaklandBayBridge[J]. Journal of Bridge Engineering, 2004, 9(1):101-106.DOI:10.1061/(asce)1084-0702(2004)9:1(101).

[3]KimHK,LeeMJ,ChangSP.Determinationofhangerinstallationprocedureforaself-anchoredsuspensionbridge[J]. Engineering Structures, 2006, 28(7):959-976.DOI:10.1016/j.engstruct.2005.10.019.

[4]李愛群, 王浩. 子模型法在超大跨懸索橋鋼箱梁應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J]. 工程力學(xué), 2007, 24(2):80-84.DOI:10.3969/j.issn.1000-4750.2007.02.014.

LiAiqun,WangHao.Stressanalysisonsteelboxgirdersofsuper-long-spansuspensionbridgeswithsubmodelmethod[J]. Engineering Mechanics, 2007, 24(2):80-84.DOI:10.3969/j.issn.1000-4750.2007.02.014.(inChinese)

[5]萬利軍, 單煒, 袁建新. 自錨式懸索橋靜力特性模型試驗研究[J]. 公路交通科技, 2014, 31(6):108-114.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2014.06.016.

WanLijun,ShanWei,YuanJianxin.Experimentalstudyonstaticcharacteristicsmodelofself-anchoredsuspensionbridge[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014, 31(6):108-114.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2014.06.016.(inChinese)

[6]HeJ,LiuY,PeiB.ExperimentalStudyofthesteel-concreteconnectioninhybridcable-stayedbridges[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2014, 28(3):559-570.DOI:10.1061/(asce)cf.1943-5509.0000444.

[7]ZhangJ,PengH,CaiCS.Destructivetestingofadecommissionedreinforcedconcretebridge[J]. Journal of Bridge Engineering, 2013, 18(6):564-569.DOI:10.1061/(asce)be.1943-5592.0000408.

[8]李元兵, 張啟偉, 季云峰. 千米級斜拉橋結(jié)構(gòu)靜力行為試驗研究[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011, 39(4):495-500,523.DOI:10.3969/j.issn.0253-374x.2011.04.005.

LiYuanbing,ZhangQiwei,JiYunfeng.Mechanicalbehaviorofkilometer-levelcable-stayedbridgeunderstaticloads[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2011, 39(4):495-500,523.DOI:10.3969/j.issn.0253-374x.2011.04.005.(inChinese)

[9]ChouCC,UangCM,SeibleF.ExperimentalevaluationofcompressivebehavioroforthotropicsteelplatesforthenewSanFrancisco-OaklandBayBridge[J]. Journal of Bridge Engineering, 2006, 11(2):140-150.DOI:10.1061/(asce)1084-0702(2006)11:2(140).

[10]李傳習(xí). 混合梁懸索橋非線性精細計算理論及其應(yīng)用[D]. 長沙: 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 2006.

Staticcharacteristicsofself-anchoredsuspensionbridgewithsuperwideconcreteboxgirderundervehicleloads

ZhouGuangpan1LiAiqun1,2LiJianhui3DuanMaojun1

(1SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) (2BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China) (3SchoolofCivilEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

Abstract:To investigate the mechanic properties of the self-anchored suspension bridge with the super wide concrete girder under the vehicle loads, the global static characteristics as well as the longitudinal stress levels and the transverse distributions of the super wide girder were analyzed by the bridge load test and ANSYS finite element analysis. The results show that the transverse displacements of the towers are more obvious than the longitudinal displacements under the test load equivalent to the designed vehicle load level. Subjected to the shear lag effect, the cross slope and local effect of the wheels, the spatial effect of the super wide girder is obvious. The deflection of the girder along the transverse direction exhibits V-shaped change under the symmetrical vehicle loads, the maximum of which is 35 mm, and the torsion deformation under the biased vehicle loads is also obvious. The longitudinal stresses of the top and the bottom plates of the girder distribute unevenly along the transverse direction of the girder, and the maximum of the longitudinal stress increments are located in the junctions of the inner web and the top and bottom plates. The longitudinal stress increment of the top plate shows M-shaped change under the symmetrical vehicle loads. The unevenness of the force state between the two cable surfaces is obvious under the biased vehicle loads due to the spatial effect of the super wide girder.

Key words:self-anchored suspension bridge; super wide concrete stiffening girder; finite element method; static characteristics; load test

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.020

收稿日期:2015-08-31.

作者簡介:周廣盼(1989—)，男，博士生；李愛群(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，aiqunli@seu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51278104)、江蘇省交通運輸科學(xué)研究計劃資助項目(2011Y03).

中圖分類號:U448.25; U445

文獻標志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)03-0578-06

引用本文: 周廣盼,李愛群,李建慧,等.車載作用下超寬混凝土箱梁自錨式懸索橋靜力特性[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(3):578-583.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.020.