自錨式懸索橋吊索張拉過程中索力變化規(guī)律的試驗(yàn)研究

黃海云，張俊平，劉愛榮，梅力彪，李永河

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006)

0 概述

吊索是自錨式懸索橋中聯(lián)系加勁梁和主纜的紐帶，是將活載和加勁梁的恒載傳遞到主纜的構(gòu)件。吊索恒載索力的大小，既決定了主纜在成橋狀態(tài)下的線型，也決定了加勁梁的恒載彎矩，是懸索橋成橋狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。自錨式懸索橋在吊索張拉過程中，存在各種非線性因素的影響，如主纜的幾何非線性、主梁與支架之間的相互作用力的變化以及鞍座的滑移和頂推等，使得各吊索力的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，以至難以準(zhǔn)確分析，因此需要通過模型試驗(yàn)來進(jìn)行研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自錨式懸索橋在體系轉(zhuǎn)換過程中吊索受力特性的研究并不多見，文獻(xiàn)[1]、[2] 通過理論分析研究了自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換過程中的吊索索力的變化規(guī)律;文獻(xiàn)[3] 通過模型試驗(yàn)研究了佛山平勝大橋體系轉(zhuǎn)換過程受力行為;文獻(xiàn)[4] 分析研究了韓國(guó)永宗大橋吊索張拉施工過程與吊索索力變化的關(guān)系;文獻(xiàn)[5] 通過理論分析研究了自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換過程中的吊索索力的變化規(guī)律。其中文獻(xiàn)[1]、[2] 、[5] 就吊索的索力變化規(guī)律研究得到的個(gè)別觀點(diǎn)而言，顯得不夠全面和嚴(yán)謹(jǐn)。本文基于廣州獵德大橋全橋縮比模型試驗(yàn)，采用不同的張拉程序?qū)Κ?dú)塔兩跨、空間纜索自錨式懸索橋的吊索受力特性進(jìn)行了研究[6]。

1 模型試驗(yàn)概況

廣州獵德大橋全橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶磶缀慰s尺比1/10進(jìn)行設(shè)計(jì)，并遵循面積、剛度、應(yīng)力等相似的原則。模型橋梁的外觀尺寸為長(zhǎng)48 m×寬3.4 m×高9.8 m，28對(duì)吊索分別采用φ12 mm或φ7 mm兩種鋼絲繩模擬，另采用φ18 mm的圓鋼作為接長(zhǎng)桿。每根吊索均設(shè)置索力測(cè)點(diǎn)，索力測(cè)試采用設(shè)置在接長(zhǎng)桿螺栓上的穿心式力傳感器進(jìn)行測(cè)量，并通過擰緊接長(zhǎng)桿螺栓進(jìn)行張拉吊索。模型總體布置如圖1所示。

模型橋梁的加勁梁及一期恒載的配重預(yù)先支承在臨時(shí)支架(包括5對(duì)臨時(shí)墩及6對(duì)支架)上，隨著吊索的逐步張拉，加勁梁經(jīng)歷了未脫架(脫架指脫離臨時(shí)支架，下同)、部分脫架、全部脫架三種不同支承狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)中分別采用了兩種不同的吊索張拉方式，第一種是以主、副跨吊索交錯(cuò)張拉為主，共計(jì)29個(gè)工況(表1);第二種以主、副跨吊索對(duì)稱張拉為主，共計(jì)17個(gè)工況(表2)。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

2.1 吊索索力隨張拉工況的變化規(guī)律

1)圖2、3分別展示了在兩種張拉程序下各吊索在不同工況下的索力分布曲線。在不同的張拉程序下，索力隨工況的順延經(jīng)歷了先快后慢、逐步趨于穩(wěn)定的過程:當(dāng)加勁梁未脫架時(shí)，吊索索力隨工況變化增長(zhǎng)幅度較大;當(dāng)加勁梁部分脫架后，吊索索力隨工況變化增長(zhǎng)幅度逐漸減小;當(dāng)加勁梁完全脫架，即實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換后，吊索索力變化很小。

2)圖4、5分別展示了若干吊索在兩種張拉程序下索力隨工況變化的過程曲線。表明大多數(shù)吊索都經(jīng)歷了因張拉而獲得索力、受相鄰吊索張拉的影響而索力驟減、受其他吊索張拉的影響而索力逐步增長(zhǎng)的三個(gè)變化過程，待加勁梁基本或完全脫架后，各吊索的索力變化趨于平穩(wěn)，這與文獻(xiàn)[1]、[2] 的研究結(jié)果基本一致。

圖1 模型總體布置(單位:m)

表1 吊索張拉程序1

表2 吊索張拉程序2

3)表3列出了按張拉程序2完成吊索張拉過程時(shí)，實(shí)測(cè)初張力、相鄰性影響后索力及最終索力的比值。由表3可知:先張拉的鄰近索塔的10#、11#、14#～18#吊索的最終索力遠(yuǎn)大于初張力，最終索力與初張力比值的均值約為2.2，說明了該吊索的最終索力主要源于相鄰吊索以外的吊索張拉時(shí)，在該吊索上產(chǎn)生的累計(jì)增長(zhǎng)效應(yīng);此外，7#～22#吊索在相鄰性影響后的索力增量約占其最終索力的10% ～90%，由此可見，吊索的張拉除了對(duì)相鄰吊索的影響較大以外，對(duì)其它吊索索力的影響作用也不容忽視。上述數(shù)據(jù)表明了文獻(xiàn)[1]由幾何關(guān)系證明的吊索力的相鄰影響原理(下稱吊索力的弱相干性)，得出“張拉點(diǎn)對(duì)相鄰吊索的影響較大，而對(duì)相鄰吊桿以外的吊索力的影響很小”的結(jié)論，表述得不夠嚴(yán)謹(jǐn)和全面，這將導(dǎo)致大多數(shù)吊索的最終索力減少約50%。

圖2 張拉程序1試驗(yàn)工況下吊索索力分布曲線

圖3 張拉程序2試驗(yàn)工況下吊索索力分布曲線

圖4 張拉程序1中7、12、13、18號(hào)吊索索力變化曲線

圖5 張拉程序2中13、16、19、23號(hào)吊索索力變化曲線

表3 張拉程序2下實(shí)測(cè)初張力、相鄰性影響后索力、最終索力的比較 kN

2.2 吊索索力增量的規(guī)律

為了研究在各張拉工況下索力增量的分布規(guī)律，引入索力增量比的概念，索力增量比為在當(dāng)前工況下，吊索索力的增量與被張拉吊索的張拉力比值。索力增量比為正值表示索力增加，負(fù)值表示索力減少。在不同的張拉程序下，若干代表性工況下各吊索的索力增量及增量比分布曲線如圖6～圖10所示。

1)由圖6～圖10、表4可知，張拉某根吊索對(duì)其它已張拉吊索的影響，與自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換的狀態(tài)有關(guān):在加勁梁未脫架時(shí)，相鄰吊索索力減少量約為當(dāng)前初張力的0.42～0.55倍，鄰近的第3～8根吊索索力增量比約為0.05～0.09，若是采用交錯(cuò)張拉法，則在非張拉橋跨距索塔最遠(yuǎn)端的吊索索力增量比約為0.10;當(dāng)加勁梁完全脫架后，相鄰吊索索力減少量約為當(dāng)前初張力的0.65～0.68倍，其它吊索索力增量比均少于0.03。以上數(shù)據(jù)分析表明文獻(xiàn)[1]的吊索力相鄰影響原理，只有在自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換完成后才能成立。

圖6 張拉程序1試驗(yàn)工況下索力增量曲線

圖7 張拉程序2試驗(yàn)工況下索力增量曲線

圖8 張拉程序1張拉橋跨吊索索力增量比的影響線

圖9 張拉程序1非張拉橋跨吊索索力增量比的影響線

圖10 張拉程序2張拉橋跨吊索索力增量比的影響線

圖11 張拉程序2中最鄰近吊索索力減少量(增量比)與當(dāng)前吊索張拉力的關(guān)系曲線

表4 不同張拉程序及張拉工況下吊索索力的平均增量比

2)由圖11可知，相鄰吊索索力損失量(增量比)與當(dāng)前吊索張拉力之間存在著顯著的非線性關(guān)系，在吊索張拉的初期，加勁梁未開始脫架前，其比值隨張拉力的增加而減少;在加勁梁脫架期間，其比值隨張拉力的增加而增加;待加勁梁脫架、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換完成后，其比值相對(duì)趨于穩(wěn)定，隨張拉力變化的影響不大。

3 結(jié)論

通過上述對(duì)獵德大橋模型試驗(yàn)中吊索索力相關(guān)的試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可以得出如下結(jié)論。

1)在吊索張拉過程中，吊索索力是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，索力變化的幅度量值與體系轉(zhuǎn)換狀態(tài)有關(guān)。體系轉(zhuǎn)換前，加勁梁支承在剛性支座或多點(diǎn)彈性支撐上，吊索張拉對(duì)相鄰吊索索力有較大的削減作用，同時(shí)也使其它吊索索力逐步增大。體系轉(zhuǎn)換后，吊索張拉對(duì)相鄰吊索索力削減效應(yīng)更為明顯，而對(duì)其它吊索索力的影響很小，吊索索力基本趨于穩(wěn)定。

2)吊索索力的弱相干性特征，即張拉吊索僅對(duì)相鄰吊索有影響，只適用于自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換完成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

[1] 張哲.混凝土自錨式懸索橋［M］.北京:人民交通出版社，2005.

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