虞奇 李靖 聶磊鑫 劉韶輝

摘 ?要：文章以唐山二環(huán)路上跨津山鐵路等既有鐵路立交橋轉(zhuǎn)體斜拉橋為工程背景，通過索塔節(jié)段錨固區(qū)足尺模型試驗，研究了索塔錨固區(qū)的受力性能及應力分布規(guī)律，觀察關鍵測點的應力應變及模型變形情況，對索塔錨固區(qū)的承載能力作出評價。得到的結(jié)論對指導實際工程有重要意義。

關鍵詞：斜拉橋;索塔錨固區(qū);足尺模型試驗

中圖分類號：U446 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0001-05

Abstract： Based on the engineering background of Tangshan Second Ring Road， Jinshan Railway and other existing railway overpasses， this paper studies the mechanical performance and stress distribution law of the cable-pylon anchorage zone. The stress and strain of key measuring points and the cracking and deformation of the model are observed through the full-size model test of the cable-pylon anchorage zone. The bearing capacity of the cable-pylon anchorage zone is evaluated. The conclusions obtained are of great significance to guide the actual project.

Keywords： cable-stayed bridge; cable-pylon anchorage zone; test of full-size model

1 試驗模型設計及制作

1.1 試驗模型設計依據(jù)

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立全橋空間靜力模型，計算模型如下圖1所示。加勁梁、混凝土主塔、承臺采用梁單元，斜拉索采用桁架單元。加勁梁采用單主梁模型，支座均采用抗震支座，斜拉索與主梁、主塔之間采用剛性連接，根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》[1]關于荷載組合的規(guī)定施加相應荷載。

根據(jù)計算結(jié)果，靠近索塔頂部的第16對拉索表現(xiàn)出最大索力，最大索力為3409.5kN。結(jié)合該橋布索形式發(fā)現(xiàn)，16號對索與斜拉橋的水平夾角最小，對拉索分配給索塔水平方向的力也最大，從而使拉索影響區(qū)域內(nèi)的索塔的腹壁承受更大的荷載。因此，索塔節(jié)段足尺模型試驗選用第16對拉索所在的節(jié)段進行試驗研究。節(jié)段模型完全按照設計圖紙加工，為方便加載，模型倒置[2-4]。

1.2 試驗模型制作

模型在實橋現(xiàn)場澆筑制作1：1足尺模型，共包含8束環(huán)向預應力筋（4束N1、4束N2），全部預力筋采用符合GB5224標準的φs15.2mm鋼絞線，其標準強度fpk=1860MPa，彈性模量E=1.95×105MPa，以內(nèi)徑為120mm的塑料波紋管形成預應力孔道，模型混凝土強度等級為C55。模型制作場地平整夯實，澆筑10公分混凝土地板，并鋪蓋一層薄鋼板上鋪油氈以此消除模型底部的摩擦力，模型倒置。

1.3 模型變形測點布置

為了能夠更好地探究混凝土內(nèi)部的應力規(guī)律，在模型內(nèi)部預埋13支BGK-4210型振弦式應變計。在模型表面安設32支百分表測試模型的變形及位移情況。振弦式應變計布置如圖2所示。

1.4 加載過程

為保證試驗精度，荷載以千斤頂油表讀數(shù)為控制。試驗模型加載示意圖如圖3所示。采用HBM-1-MX1615B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠更加精確的記錄試驗過程中的數(shù)據(jù)，反映模型最真實的受力情況。按照測點應變片的數(shù)量設置對應的溫度補償片確保試驗數(shù)據(jù)更加準確[8-10]。加載過程分預應力張拉和索力加載兩個階段，索力加載分兩次進行：

（1）以正常工作索力（3400kN）為加載目標，為確保加載力均勻，將3400kN分為5個加載等級，每一級加載之后需要保持荷載15分鐘，確保索力準確的傳遞給索塔模型，在此期間觀察模型應力情況。此加載節(jié)段重復進行三次。分級情況如下：0kN→700kN→1400kN→2100kN→2800kN→3400kN→ 2100kN→1400kN→700kN→0kN;

（2）在正常工作索力加載之后繼續(xù)增大索力，直至

9000kN，試驗時在加載到正常工作索力后，按500kN進行分級加載，每級荷載持荷10分鐘，并觀察應變、整體變形，當試件出現(xiàn)大范圍開裂時，試驗須停止。分級情況如下：0kN→3400kN→4000kN→4500kN→5000kN→5500kN→6000kN…至9000kN。加載完成后，模型錨固區(qū)外側(cè)裂縫情況如圖4所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 正常工作索力測點應力結(jié)果及分析

圖5和6分別為索塔節(jié)段模型錨固區(qū)腹板外側(cè)和內(nèi)側(cè)部分測點在正常工作索力作用下的應力分布，除個別測點外，測點應力增量隨荷載增加基本呈線性增長，表明模型錨固區(qū)腹板在整個應力加載過程中一直處于彈性工作狀態(tài)，具有足夠的承載能力。不同于錨固區(qū)外側(cè)測點，腹板內(nèi)側(cè)拐角處的測點承受較小的拉應力，測點應力增量最大為0.86MPa;中間位置的測點受到千斤頂傳遞過來的索力作用，壓應力逐漸增大，齒塊附近測點受到齒塊的保護，測點應力變化較小，與外側(cè)索管口對應位置的測點壓應力增量較大，最大為-3.217MPa。模型在錨固區(qū)腹板上表現(xiàn)出壓彎受力狀態(tài)，腹板內(nèi)側(cè)受壓，腹板外側(cè)受拉。

圖7和8分別為索塔節(jié)段模型非錨固區(qū)腹板外側(cè)和內(nèi)側(cè)部分測點在正常工作索力作用下的應力分布，大部分測點應力增量隨荷載增加基本呈線性增長，個別測點有較小的應力突變，應為混凝土表面裂縫所致，模型非錨固區(qū)腹板在整個應力加載過程中始終處于彈性工作狀態(tài)。腹板外側(cè)測點主要承受壓應力，應力大小呈十字形分布，越靠近模型中間位置，測點壓應力增量越大，最大為-3.23MPa;不同于腹板外側(cè)測點普遍受壓，內(nèi)側(cè)測點基本上都表現(xiàn)出受拉狀態(tài)，測點在齒塊與腹板交接處有較大的拉應力，為7.26MPa，下方位置測點拉應力大于上方測點，類似于錨固區(qū)腹板，非錨固區(qū)腹板處于一種拉彎工作狀態(tài)，非錨固區(qū)腹板內(nèi)側(cè)受拉，外側(cè)受壓。

2.2 9000kN超載索力測點應力結(jié)果及分析

圖9 S位置左側(cè)部分測點應力增量分布曲線圖

由圖9可知，在9000kN超載索力作用下，索塔節(jié)段模型錨固區(qū)腹板外側(cè)測點普遍承受了較大拉應力;位于腹板上側(cè)如S-L-2、S-L-7測點的拉應力增量表現(xiàn)出較好的線性關系，表明該部分測點處于正常受力狀態(tài);S-L-6和S-L-8等測點在7000kN加載力前處于線性增長階段，應力增量在9MPa左右;當荷載增大到7500kN時該部分測點產(chǎn)生應力突變的現(xiàn)象，混凝土材料表現(xiàn)出非線性發(fā)展。觀察試驗模型，發(fā)現(xiàn)測點處確實有裂紋產(chǎn)生，測試結(jié)果與試驗現(xiàn)象基本一致。由圖10可知，錨固區(qū)腹板內(nèi)側(cè)測點隨位置的不同，表現(xiàn)出不同的受力狀態(tài);在模型拐角處，測點主要承受拉應力，在齒塊上側(cè)測點主要承受壓應力，且隨荷載增大而增大;S′-3等部分測點在6000kN加載力前處于線性增長階段，應力增量在3MPa左右，當荷載增大到6500kN時該部分測點出現(xiàn)應力突變的現(xiàn)象，表明這些測點已經(jīng)開裂;S′-9、S′-10等部分測點的應力在7500kN時應力增量急劇增大，表明該處測點已達到抗壓能力極限狀態(tài)，即將開裂。錨固區(qū)腹板關鍵部位測點基本以7500kN為界表現(xiàn)出開裂現(xiàn)象，但模型仍然能夠正常受力，證明模型有足夠的安全儲備。

圖11可知，在9000kN超載索力作用下，索塔節(jié)段模型非錨固區(qū)腹板外側(cè)的中間位置普遍承受了較大的壓應力;荷載加載至8000kN時，除個別測點外，測點的壓應力增量均表現(xiàn)出較好的線性關系，表明該部分測點處于正常受力狀態(tài)。繼續(xù)加載發(fā)現(xiàn)部分測點的應力增量急劇增大，尤其是靠近模型下方測點，觀察模型發(fā)現(xiàn)底部已產(chǎn)生多條裂紋，并表現(xiàn)出向上蔓延的趨勢，表明模型底部已到達承載能力極限狀態(tài)。位于兩側(cè)的測點普遍承受拉應力，當荷載達到7500kN時，大部分測點表現(xiàn)出應力衰減，表明測點位置即將破壞。圖12可知，不同于腹板外側(cè)測點，在9000kN超載索力作用下，非錨固區(qū)腹板內(nèi)側(cè)測點普遍承受了較大的拉應力。大部分測點在6500kN荷載前表現(xiàn)出較好的線性關系，模型工作狀態(tài)良好。在6500kN之后測點逐漸表現(xiàn)出應力下降狀態(tài)，觀察模型內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)該處已產(chǎn)生部分細微裂縫，尤其是靠近齒塊交界位置，測點即將破壞。

2.3 模型變形

圖13和圖14為索塔節(jié)段模型在9000kN超載索力作用下腹板的撓度變形圖。錨固區(qū)腹板在索力作用下表現(xiàn)為外凸變形，腹板左右兩側(cè)變形量較為對稱，表明索力加載受力方向比較準確;在腹板邊緣位置變形量較小，為0.4mm左右，靠近索管口，腹板變形越大，變形為0.65mm左右，結(jié)合測點應力結(jié)果，錨固區(qū)腹板處于一種彎剪受力狀態(tài)。類似于錨固區(qū)腹板變形，非錨固腹板在整個截面的變形較為對稱，但是不同于錨固區(qū)腹板的外凸，表現(xiàn)為內(nèi)凹變形狀態(tài)，同樣腹板邊緣兩側(cè)相對于腹板中間變形偏小，僅為-0.21mm，腹板中間位置變形量最大，為-0.43mm，結(jié)合測點應力結(jié)果，非錨固區(qū)腹板處于一種拉彎狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文結(jié)合唐山二環(huán)線斜拉橋背景介紹了索塔錨固區(qū)節(jié)段足尺模型試驗內(nèi)容，包括索塔節(jié)段模型的設計制作、模型箱壁表面應力應變的測點布置以及索塔節(jié)段模型靜載試驗，通過以上研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）正常工作索力作用下，索塔節(jié)段模型測點應力增量隨荷載增加成線性增長，表明模型整個應力加載過程中一直處于彈性工作狀態(tài)，具有足夠的承載能力。錨固區(qū)腹板處于壓彎狀態(tài)，腹板外側(cè)受拉，腹板內(nèi)側(cè)受壓;非錨固區(qū)腹板受力與之相反，處于拉彎受力狀態(tài)，腹板內(nèi)側(cè)受拉，腹板外側(cè)受壓。

（2）索塔節(jié)段模型在超載索力荷載作用下，非錨固區(qū)腹板會先于錨固區(qū)腹板開裂。以混凝士達到抗拉強度標準值時的斜拉索索力作為開裂荷載，索塔節(jié)段模型錨固區(qū)腹板開裂荷載為7500kN左右;索塔節(jié)段模型非錨固區(qū)腹板開裂荷載為6500kN左右。索塔節(jié)段模型有足夠的承載安全儲備，模型設計合理。

（3）索塔節(jié)段模型在9000kN索力荷載作用下，錨固區(qū)腹板表現(xiàn)為外凸變形，腹板邊緣位置變形量較小，越靠近索管口，腹板變形越大;非錨固腹板在整個截面表現(xiàn)為內(nèi)凹變形狀態(tài)，與錨固區(qū)腹板相似，腹板兩邊邊緣位置變形量較小，腹板中間位置變形量最大。這與索塔節(jié)段模型上測點的應力結(jié)果相一致。

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