萬(wàn)　鈺， 徐　朔， 馮　星

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙　410015)

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大跨徑鋼桁梁懸索橋靜力分析與荷載試驗(yàn)研究

萬(wàn)鈺， 徐朔， 馮星

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙410015)

摘要：張花高速公路澧水特大橋?yàn)閱慰?58 m鋼桁梁懸索橋，為檢驗(yàn)大橋成橋狀態(tài)的受力特性、施工質(zhì)量和安全性能，采用了有限元理論分析與現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)兩個(gè)方法對(duì)大橋的合理狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證，并通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果顯示：實(shí)測(cè)變形與理論變形在數(shù)值十分接近，且結(jié)構(gòu)整體變形規(guī)律一致，說(shuō)明結(jié)構(gòu)數(shù)值模型準(zhǔn)確模擬了大橋成橋后的受力狀態(tài)，對(duì)評(píng)估其受力性能具有較高的可靠性；此外，靜力試驗(yàn)加載效率系數(shù)介于0.95～0.97之間，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)荷載能夠等代汽車(chē)荷載，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)變形值均小于理論計(jì)算值；變形校驗(yàn)系數(shù)介于0.82～1.00之間，且相對(duì)殘余變形值較小，表明汽車(chē)荷載作用下橋梁處于彈性狀態(tài)，結(jié)論對(duì)同類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：懸索橋； 鋼桁梁； 靜力試驗(yàn)； 變形測(cè)試

在實(shí)際工作中，由于各種因素的影響，施工過(guò)程中各階段結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)不可避免的偏離實(shí)際狀態(tài)，為檢驗(yàn)實(shí)體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，了解實(shí)際結(jié)構(gòu)受力特性，掌握結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期間的使用性能，通過(guò)靜載試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)是比較直觀和可靠的手段之一。特別是特大跨徑鋼桁梁懸索橋在我國(guó)的實(shí)際工程應(yīng)用并不多，但隨著西部大開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，該類(lèi)橋梁被證明適合于跨越西部山區(qū)的峽谷，如矮寨大橋[1]、澧水大橋[2]等。而關(guān)于如何檢驗(yàn)該類(lèi)大跨鋼桁梁懸索橋的全理成橋狀態(tài)的研究并不多。

本文以澧水大橋[3]為依托，對(duì)大跨徑鋼桁梁懸索橋成橋后受力特性進(jìn)行有限元模擬分析，介紹結(jié)構(gòu)變形的觀測(cè)方法和測(cè)試內(nèi)容，并結(jié)合該橋的靜載試驗(yàn)成果，對(duì)該橋的結(jié)構(gòu)變形測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為該類(lèi)橋梁的力學(xué)性能分析，靜力荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形控制提供參考，以及該類(lèi)型橋梁后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)支撐，同時(shí)，對(duì)同類(lèi)型的其它橋梁的設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。

1工程背景

澧水大橋?yàn)閺埣医缰粱ㄔ咚俟飞系囊蛔?jiǎn)支鋼桁梁地錨式特大懸索橋，大橋主纜跨徑布置為200 m+858 m+190 m，中跨主纜垂跨比為1/10，上下游主纜中心相間28 m。全橋吊索共69對(duì)，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為12 m，端吊索至索塔中心線(xiàn)的距離為20 m，端吊索公稱(chēng)直徑64 mm，其余吊索公稱(chēng)直徑為56 mm。鋼桁梁全長(zhǎng)854 m，桁高6.5 m，桁寬28 m。鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)度6 m，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度12 m。索塔均采用雙柱門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，張家界岸索塔高137.488 m，花垣岸索塔高123.192 m。澧水大橋按雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路—I級(jí)，設(shè)計(jì)車(chē)速為80 km/h。大橋立面與平面布置如圖1所示。

圖1　澧水大橋立面與平面圖(單位： cm)

2懸索橋有限元建模

2.1懸索橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

移動(dòng)荷載及其它外加荷載作用下，懸索橋結(jié)構(gòu)受力按剛度進(jìn)行分配，體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的變位。大跨懸索橋?qū)儆诜蔷€(xiàn)性幾何可變體，其主纜主要承受張力，在恒載作用下具有很大的初始張拉力，可抵抗活載引起的變形，為結(jié)構(gòu)變形提供強(qiáng)大的重力剛度。懸索橋施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)幾何非線(xiàn)性的受力的特點(diǎn)，然而成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，活載引起的結(jié)構(gòu)變形與所受荷載基本上呈線(xiàn)性關(guān)系[4]。

2.2有限元建模與影響線(xiàn)

通過(guò)‘等代’荷載計(jì)算原則，按橋梁控制截面的撓度影響線(xiàn)進(jìn)行加載，確定設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載作用下等效試驗(yàn)荷載的加載噸位及加載位置。采用計(jì)算軟件MIDAS/Civil2010建立澧水大橋主橋結(jié)構(gòu)的空間模型，模型中索塔、橫梁及加勁梁采用梁?jiǎn)卧M，主纜和吊索采用只受拉不受壓的索單元模擬，通過(guò)集中質(zhì)量把橋面系質(zhì)量分布于橋面節(jié)點(diǎn)，橋面鋪裝的重量計(jì)入橋面板的密度中，橋墩底部及主纜錨固采用固結(jié)約束 ，因該橋?yàn)榘肫◇w系，所以鋼桁梁端部只約束橫向，模擬橫向抗風(fēng)支座。全橋模型共6 035個(gè)節(jié)點(diǎn)，9 935個(gè)單元。有限元模型見(jiàn)圖2。大橋最不利截面變位影響線(xiàn)如圖3。

圖2　澧水大橋有限元模型

圖3　澧水大橋變位影響線(xiàn)

3現(xiàn)場(chǎng)變形測(cè)試

3.1測(cè)試內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置

本次靜力荷載試驗(yàn)主要測(cè)試主纜與鋼桁梁撓度、索塔塔頂縱向偏位和鋼桁梁縱向漂移。結(jié)構(gòu)豎向撓度測(cè)點(diǎn)布置在鋼桁梁與主纜上下游兩側(cè)，邊跨按2等分點(diǎn)布置，主跨按8等分點(diǎn)布置，共44個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。結(jié)構(gòu)縱向位移測(cè)點(diǎn)按上下游分別布置在兩索塔塔柱頂端和鋼桁梁兩端，共8個(gè)測(cè)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)橫斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖4　索塔、主纜和鋼桁梁變形測(cè)點(diǎn)布置(單位： cm)

圖5　變形測(cè)點(diǎn)橫斷面布置

3.2測(cè)試方法

鋼桁梁撓度、主纜撓度及索塔塔頂縱向變位測(cè)試均采用徠卡TS30(測(cè)角精度為±0.5″，測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)差為1 mm+1×10-6)全站儀進(jìn)行極坐標(biāo)和三角高程四測(cè)回觀測(cè)。鋼桁梁兩端的縱向漂移采用大量程游標(biāo)卡尺(量程為500 mm，精度為0.02 mm)進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置在鋼桁梁兩端抗風(fēng)支座支承中心線(xiàn)上，上、下游各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩端共4個(gè)測(cè)點(diǎn)。為便于試驗(yàn)過(guò)程中提高測(cè)試效率和測(cè)試精度，在施工控制坐標(biāo)網(wǎng)中選取4個(gè)觀測(cè)站對(duì)結(jié)構(gòu)變位進(jìn)行觀測(cè)，1#觀測(cè)站負(fù)責(zé)上游側(cè)主纜及鋼桁梁撓度的18個(gè)測(cè)點(diǎn)，2#觀測(cè)站負(fù)責(zé)下游側(cè)主纜及鋼桁梁撓度的18個(gè)測(cè)點(diǎn)，3#觀測(cè)站負(fù)責(zé)張家界側(cè)索塔塔頂縱向變位的2個(gè)測(cè)點(diǎn)及張家界側(cè)邊跨上下游側(cè)主纜的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，4#觀測(cè)站負(fù)責(zé)花垣側(cè)索塔塔頂縱向變位的2個(gè)測(cè)點(diǎn)及花垣側(cè)邊跨上下游側(cè)主纜的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖6所示。

圖6　全站儀觀測(cè)站布置示意(單位： m)

4靜載試驗(yàn)分析

4.1試驗(yàn)工況分析

根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》和《公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)范》建議，靜力荷載試驗(yàn)的效率系數(shù)η應(yīng)介于0.80～1.05之間。對(duì)部分試驗(yàn)工況進(jìn)行必要的合并，盡量將試驗(yàn)車(chē)輛安排在同一載位，以減少試驗(yàn)車(chē)輛移動(dòng)的次數(shù)[5]。

本次試驗(yàn)加載車(chē)均為雙后軸載重車(chē)，如圖7所示。單輛試驗(yàn)車(chē)總重約為400 kN，前軸與中軸標(biāo)準(zhǔn)距離為B=3.6 m，中軸與后軸的標(biāo)準(zhǔn)距離為A=1.4 m，前軸橫向標(biāo)準(zhǔn)輪距為D=1.8 m，前軸、中軸與后軸重量分配比例約為2∶3∶3。

圖7　試驗(yàn)車(chē)輛

本次靜力荷載試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)結(jié)構(gòu)變位試驗(yàn)工況，3個(gè)試驗(yàn)工況加載效率系數(shù)均介于0.80～1.05之間，各工況加載車(chē)數(shù)量及加載效率系數(shù)如表1所示，各工況載位布置如圖8所示。

表1 主要測(cè)試截面試驗(yàn)荷載效率系數(shù)工況號(hào)測(cè)試內(nèi)容車(chē)輛數(shù)量總重/kN設(shè)計(jì)計(jì)算值/m加載計(jì)算值/m荷載效率系數(shù)ηⅠ1/2跨主纜撓度正載5623711-1.158-1.1000.95Ⅱ1/4跨主纜撓度正載2811760-1.376-1.3350.97Ⅲ1/4跨主纜撓度偏載2611050-1.065-1.0120.95

圖8　試驗(yàn)加載載位布置(單位： m)

4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)在11月份進(jìn)行，試驗(yàn)期間為陰天，靜風(fēng)環(huán)境，且溫度變化幅度僅為2 ℃，在整體溫變小于4 ℃時(shí)，可以忽略溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)變位的影響[4]，限于篇幅，本文僅對(duì)工況I的試驗(yàn)結(jié)果及3個(gè)工況荷載作用下鋼桁梁豎向撓度測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行介紹與分析。工況I試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)最不利截面變位測(cè)試結(jié)果如表2所示，結(jié)構(gòu)最不利截面變位與荷載關(guān)系曲線(xiàn)如圖9所示。

在試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)變位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本一致，且主纜及鋼桁梁撓度與索塔塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)接近1.00，說(shuō)明結(jié)構(gòu)計(jì)算模型受力特性與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。結(jié)構(gòu)變位實(shí)測(cè)值與理論值偏差較小，且規(guī)律一致，變位值與荷載呈線(xiàn)性關(guān)系，且變位殘余值較小，該結(jié)果說(shuō)明澧水大橋主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量良好，在設(shè)計(jì)荷載作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，其強(qiáng)度和剛度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

靜力荷載試驗(yàn)中，通過(guò)觀測(cè)鋼桁梁線(xiàn)型的變化可以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的整體受力性能及施工質(zhì)量[6]。在縱向?qū)ΨQ(chēng)與反對(duì)稱(chēng)荷載作用下，鋼桁梁線(xiàn)型變化一致，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)撓度差值較小，相對(duì)鋼桁梁撓度變形值可以忽略，橫向無(wú)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且縱橋向呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)特性。在橫向偏載作用下，鋼桁梁線(xiàn)型變化趨勢(shì)一致，但上游側(cè)鋼桁梁控制點(diǎn)實(shí)測(cè)豎向撓度明顯大于下游側(cè)鋼桁梁撓度，對(duì)應(yīng)點(diǎn)撓度最大差值為264 mm，橫向呈現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在工況I與工況II橫向?qū)ΨQ(chēng)荷載作用下，通過(guò)鋼桁梁撓度反映出的偏載系數(shù)接近于1，與理論情況十分吻合，在工況III橫向偏心荷載作用下，L/4截面的偏載系數(shù)為1.152，與該截面模型計(jì)算偏載系數(shù)1.151一致。以上試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)象再次說(shuō)明了結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)與計(jì)算模型的受力狀態(tài)十分吻合，鋼桁梁線(xiàn)型變化合理，橋面結(jié)構(gòu)的橫向傳力性能良好。以上3個(gè)靜力荷載試驗(yàn)工況，均給出了鋼桁梁線(xiàn)型變化的對(duì)比圖型，如圖10所示。

鋼桁梁最不利截面撓度數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表2 工況I靜力試驗(yàn)結(jié)果工況號(hào)測(cè)點(diǎn)位置實(shí)測(cè)值/m計(jì)算值/m校驗(yàn)系數(shù)/m最大變位值/m殘余值/m相對(duì)殘余值/%I1/2跨主纜撓度上游-1.098-1.1001.00-1.127-0.0293下游-1.089-1.1000.99-1.108-0.01921/2跨鋼桁梁撓度上游-1.095-1.1001.00-1.107-0.0121下游-1.097-1.1001.00-1.107-0.0101張家界側(cè)鋼桁梁縱向飄移上游0.2000.2200.910.2100.0105下游0.1900.2200.860.1990.0095花垣側(cè)鋼桁梁縱向飄移上游-0.190-0.2200.86-0.201-0.0115下游-0.180-0.2200.82-0.192-0.0126張家界側(cè)索塔塔頂縱向變位值上游0.0580.0680.850.0600.0023下游0.0670.0680.990.0670.0000花垣側(cè)索塔塔頂縱向變位值上游-0.066-0.0680.97-0.069-0.0034下游-0.067-0.0680.99-0.069-0.0023 注:撓度向下為“-”,向上為“+”;縱向變位向花垣方向?yàn)椤?”,向張家界方向?yàn)椤?”。

圖9　變位與荷載關(guān)系曲線(xiàn)

圖10　工況I、II、III荷載作用下鋼桁梁豎向撓度對(duì)比　　　圖形

表3 鋼桁梁最不利截面撓度數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果工況測(cè)點(diǎn)位置撓度實(shí)測(cè)值/mm撓度理論值/mm上游下游上游下游上游實(shí)測(cè)-下游實(shí)測(cè)/mm上游理論-下游理論/mm偏載增大系數(shù)實(shí)測(cè)理論工況IL/2-1098-1089-1100-1100-901.0041.000工況IIL/4-1308-1320-1335-13351201.0051.000工況IIIL/4-735-999-746-10122642661.1521.151

5結(jié)論

本文介紹了澧水大橋成橋靜力試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形情況，并對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了介紹與分析。靜載試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值基本一致，加載效率系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，變位校驗(yàn)系數(shù)滿(mǎn)足要求，殘余變形較小，表明成橋后澧水大橋承載能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)汽車(chē)活載引起的結(jié)構(gòu)變形與所受荷載基本上處于線(xiàn)性變化關(guān)系階段，結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制較好。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0155-05

收稿日期:2016-05-16

作者簡(jiǎn)介:萬(wàn)鈺( 1989-) ，女，主要從事路橋試驗(yàn)檢測(cè)及相關(guān)管理工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：U 446

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A