田寶華

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

1 引言

斜拉橋中斜拉索[1]的巨大拉力斜向并集中地作用于斜拉橋橋塔與主梁錨固點(diǎn)。索梁錨固區(qū)域[2]受力集中、構(gòu)造復(fù)雜，是控制設(shè)計的關(guān)鍵部位，關(guān)系著結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全耐久性。因此，掌握錨固區(qū)域的應(yīng)力分布情況十分重要。

國內(nèi)外學(xué)者對索梁錨固區(qū)域的力學(xué)特性展開了相關(guān)研究。劉慶寬[3]等對南京二橋錨箱及其附近腹板的應(yīng)力大小和分布進(jìn)行了研究；梅應(yīng)華[4]等基于ANSYS有限元模型，以應(yīng)力為控制指標(biāo)，對索梁錨固區(qū)設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化；劉旭東[5]分析了索梁錨固區(qū)應(yīng)力分布，優(yōu)化了鋼錨箱錨墊板和錨固板參數(shù)；蒲黔輝[6]等采用有限元計算和模型試驗(yàn)，對鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力機(jī)理及應(yīng)力分布進(jìn)行了研究；毛曉東[7]采用有限元計算方法，對錨固區(qū)在最不利荷載組合作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究；袁瑞[8]等采用Midas軟件分析了鋼錨箱各板件和錨固區(qū)主梁應(yīng)力分布與變形情況；薛曉博[9]建立斜拉橋索梁錨固區(qū)的實(shí)體有限元模型，分析了索梁錨固區(qū)應(yīng)力特征，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性；陳偉慶[10]等對鋼錨管式、耳板式和錨箱式錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力試驗(yàn)；衛(wèi)星[11]等選取承受荷載最大的斜拉橋梁端錨固結(jié)構(gòu)為研究對象，建立ANSYS分析模型，評估雙拉板栓焊式梁端錨固結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能；楊美良[12]等建立錨固結(jié)構(gòu)拉壓桿分析模型，探討了角鋼、錨墊板和體外預(yù)應(yīng)力鋼管對錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，提出了配筋優(yōu)化建議。

由于錨固區(qū)有專門的構(gòu)造細(xì)節(jié)且十分復(fù)雜，通過理論分析計算不能完全反映實(shí)際構(gòu)件真實(shí)力學(xué)特性以及破壞特征，故應(yīng)通過模型試驗(yàn)來對其進(jìn)行細(xì)致分析研究。本文通過模型試驗(yàn)，研究錨固區(qū)在荷載作用下各部位的應(yīng)力水平以及應(yīng)力分布情況，全面掌握該構(gòu)造在實(shí)橋中的力學(xué)行為，驗(yàn)證金沙江大橋索梁錨固區(qū)設(shè)計的合理性及安全可靠性，并為同類橋梁提供技術(shù)參考。

2 工程概況

攀枝花金沙江大橋?yàn)橹需F二十三局承建的成昆鐵路擴(kuò)能改造工程米易至攀枝花段重點(diǎn)項(xiàng)目。成昆鐵路金沙江大橋位于金沙江與雅礱江匯合口以下約1.3 km處的金沙江干流上，主橋采用(120+208+120)m雙塔預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié)，梁底設(shè)支座。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，直腹板，箱梁普通段頂寬13.10 m，底寬10.6 m?？缰屑斑呏c(diǎn)處梁高6.8 m，中支點(diǎn)處梁高11.3 m，底板采用拋物線過渡，塔高28 m。橋式總布置如圖1所示。

圖1 主橋孔跨布置

該橋索梁錨固區(qū)在設(shè)計中拋棄了鐵路矮塔斜拉橋所普遍使用的梁底錨固塊錨固的形式，采用了新型頂板錨固塊錨固形式。索梁錨固塊構(gòu)造如圖2所示。

圖2 索梁錨固塊構(gòu)造(單位：cm)

攀枝花金沙江大橋梁體及索梁錨塊混凝土等級為C55，封錨采用強(qiáng)度等級為C55收縮補(bǔ)償混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用抗拉強(qiáng)度1 860 MPa、彈性模量195 GPa、公稱直徑15.2 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。

3 錨固區(qū)模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗?/h3>

金沙江大橋的索梁錨固區(qū)構(gòu)件共有7種不同的尺寸，試驗(yàn)前對C1～C7錨固區(qū)構(gòu)件在掛索前、恒載作用、最不利荷載、極限承載能力等作用下的受力情況進(jìn)行分析，綜合比較各錨固區(qū)構(gòu)件的受力情況，選取承受荷載最大的C7錨固區(qū)構(gòu)件進(jìn)行模型試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶丛瓨蚴┕D紙設(shè)計，所用材料、普通鋼筋布置、預(yù)應(yīng)力鋼束布置等均與原橋保持一致。

由于受到試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原橋比例為1∶2，材料選用與原橋一致。由于結(jié)構(gòu)自重影響較小，故試驗(yàn)中不進(jìn)行配重設(shè)計，只考慮拉索索力對結(jié)構(gòu)的作用。

因拉索拉力較大，試驗(yàn)室反力墻無法承受所需拉索力，為滿足試驗(yàn)要求并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，研究設(shè)計了一種混凝土自平衡體系。具體設(shè)計方案見圖3。

圖3 混凝土自平衡體系(單位：cm)

根據(jù)現(xiàn)場條件，設(shè)計試驗(yàn)構(gòu)件在腹板底部設(shè)置了突出翼緣，利用錨栓錨具與反力墻連接。錨固塊試件現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 錨固塊C7試件

3.2 預(yù)應(yīng)力構(gòu)造

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖谙嗨脐P(guān)系，張拉控制應(yīng)力為原橋構(gòu)件0.25倍，通過N1和N2兩根預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力約束。錨下張拉控制應(yīng)力為325.5 MPa，張拉時需先按0.1倍張拉控制應(yīng)力進(jìn)行張拉，然后逐步張拉至設(shè)計應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絞線N1和N2理論張拉伸長量分別為8.0 mm和10.6 mm。預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖5。

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼絞線立面布置(單位：cm)

3.3 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕显O(shè)置應(yīng)變、索力兩類測試內(nèi)容。應(yīng)變測點(diǎn)處布置應(yīng)變花，拉索錨固端錨板前布置壓力環(huán)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固端布置錨索計。測點(diǎn)布置按照縮尺模型進(jìn)行設(shè)計，對于全尺模型，需將測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)按比例縮放?；炷翍?yīng)變測點(diǎn)如圖6所示。

圖6 混凝土測點(diǎn)布置

3.4 模型加載

試驗(yàn)構(gòu)件達(dá)到加載要求后，首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加載，測試正常后，以最大設(shè)計索力值(2 012.5 kN)為基準(zhǔn)，進(jìn)行正式加載。每個加載階段持續(xù)5 min，并進(jìn)行相關(guān)應(yīng)變測量。

工況1:按最大設(shè)計索力的20%分級加載直至最大設(shè)計索力值；按最大設(shè)計索力的50%分級卸載，直至索力為零。

工況2:按最大設(shè)計索力的20%分級加載直至最大設(shè)計索力值的140%；按最大設(shè)計索力的10%分級加載直至最大設(shè)計索力值的200%；按最大設(shè)計索力的40%分級卸載，直至索力為零。

在正式加載工況2過程中，每級加載到位后，記錄構(gòu)件的結(jié)構(gòu)變形，檢查測試儀器是否正常工作并記錄數(shù)據(jù)；在最大設(shè)計索力以上的各級荷載工況下，除了詳細(xì)記錄和分析混凝土應(yīng)變是否異?；蜷_裂外，還需時刻仔細(xì)觀察構(gòu)件表面是否產(chǎn)生裂縫。如發(fā)現(xiàn)開裂裂縫，詳細(xì)記錄和標(biāo)識裂縫開展位置，測量裂縫寬度、深度以及裂縫方向，并記錄開裂荷載值。隨著加載過程的繼續(xù)，如果發(fā)現(xiàn)裂縫明顯開裂，寬度明顯加大等一系列構(gòu)件無法繼續(xù)承載的破壞前兆時，立即停止加載，并逐級卸載，直至索力為零，檢查分析模型的破壞形態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

工況1和工況2埋入式應(yīng)變計數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 各工況埋入式應(yīng)變計數(shù)據(jù)

工況1加載結(jié)果表明，錨固塊在不同張拉荷載作用下直至張拉至100%的設(shè)計索力，其應(yīng)變增幅基本呈線性增加，說明混凝土在線彈性階段受力，最大壓應(yīng)變?yōu)?41.2，最大拉應(yīng)變?yōu)?0.1。

工況2加載結(jié)果表明，錨固塊在不同張拉荷載作用下直至張拉至200%的設(shè)計索力，其應(yīng)變增幅基本呈線性增加，說明混凝土在線彈性階段受力，最大壓應(yīng)變?yōu)?82.4，最大拉應(yīng)變?yōu)?00.7；最大應(yīng)力及應(yīng)力集中區(qū)域大體相近且滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范及設(shè)計圖紙應(yīng)力要求。

通過現(xiàn)場觀察，錨固塊試驗(yàn)荷載加載至100%設(shè)計索力時，錨固塊并未出現(xiàn)裂縫；加載至140%設(shè)計索力時，錨固塊前端倒角位置開始出現(xiàn)細(xì)小裂紋且隨著荷載增加緩慢發(fā)展，寬度為0.3～0.4 mm，長度約為12 cm，另一側(cè)也開始出現(xiàn)兩條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬度約為0.1～0.2 mm，長度分別約為16 cm和8 cm；加載至170%設(shè)計索力時，之前出現(xiàn)的裂縫隨荷載的增加不斷開展，寬度為0.2～0.5 mm，長度約22 cm，另一側(cè)出現(xiàn)兩條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬度為0.2～0.6 mm，長度分別約為25 cm和8 cm；加載至200%設(shè)計索力時，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載的增加不斷開展，寬度為0.6～0.8 mm，長度約為34 cm，另一側(cè)出現(xiàn)兩條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬度為0.6～0.8 mm，長度分別約為30 cm和12 cm；當(dāng)荷載卸載至零時，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載的減小不斷閉合，寬度肉眼不可見，見圖8。

圖8 混凝土錨固塊裂縫

5 結(jié)論

(1)工況一荷載試驗(yàn)表明受檢構(gòu)件試驗(yàn)截面各應(yīng)變測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變值均小于其對應(yīng)的理論計算值；卸載后，各測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變均小于20%，表明試驗(yàn)截面處于彈性工作狀態(tài)，錨固塊的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

(2)工況二荷載試驗(yàn)表明受檢構(gòu)件試驗(yàn)截面各應(yīng)變測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變值基本都小于其對應(yīng)的理論計算值，只有個別點(diǎn)位拉應(yīng)力超過設(shè)計文件限值；卸載后，各測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變均小于20%，表明試驗(yàn)截面處于彈性工作狀態(tài)，錨固塊的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全儲備系數(shù)≥2.0。

(3)本次試驗(yàn)過程中，當(dāng)試驗(yàn)荷載持續(xù)加載超過140%設(shè)計索力時，索梁錨固塊前端倒角處開始出現(xiàn)多條細(xì)小的斜裂縫；隨著荷載的不斷增大，裂縫繼續(xù)開展；裂縫最大為200%設(shè)計索力時，裂縫寬度最大為0.8 mm，裂縫長度最長為34 cm；卸載完畢后，裂縫閉合肉眼不可見。