系桿拱橋吊桿索力張拉的模型試驗(yàn)研究

鄧曉，王起才，張戎令，楊陽

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

系桿拱橋吊桿索力張拉的模型試驗(yàn)研究

鄧曉，王起才，張戎令，楊陽

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

鋼管混凝土系桿拱橋吊桿索力張拉是系桿拱橋施工的重要步驟。本文結(jié)合相似比理論，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際橋梁模擬澆筑1∶16試驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎糜邢拊治龅贸鰧?shí)際橋型與實(shí)驗(yàn)室模擬橋型的索力張拉值。通過與蘭新鐵路第二雙線實(shí)際橋梁的張拉值對比，得出索力張拉順序?qū)Ω鱾€(gè)吊桿索力的影響，以及索力在第一次張拉完成后實(shí)測值與預(yù)期張拉值的相差值，通過實(shí)測值反推出系桿拱橋索力張拉初始值。實(shí)驗(yàn)室橋梁模型模擬實(shí)際橋型進(jìn)行索力的測定和調(diào)整，對現(xiàn)場施工以及對系桿拱橋的調(diào)索具有指導(dǎo)意義。

系桿拱橋 相似比理論 有限元模擬 索力張拉

鋼管混凝土系桿拱橋是無推力拱，受力明確，一般為外部靜定，內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)［1-2］，其強(qiáng)度高、塑性好、質(zhì)量輕，具有很高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力。因此，此類橋梁結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用到我國的橋梁建設(shè)當(dāng)中［3］。橋面縱橫梁的荷載通過吊桿傳遞到拱肋上，所以設(shè)計(jì)中確定系桿拱橋吊桿的索力張拉值，施工中對拱橋吊桿的索力張拉是整個(gè)鋼管混凝土系桿拱橋施工的關(guān)鍵問題之一［4］。如何控制和調(diào)整吊桿初始張拉力，保證在橋梁成型后吊桿的索力值能夠達(dá)到預(yù)期張拉值是吊桿設(shè)計(jì)以及施工中比較棘手的問題。同時(shí)，在橋梁的施工監(jiān)控中，拱橋吊桿索力的監(jiān)控也是其重要內(nèi)容，對于整個(gè)施工進(jìn)度以及成橋有很大的影響［5］。在一些系桿拱橋的加固維修，以及吊桿的更換當(dāng)中，索力測試也是其中的重要步驟。因此對系桿拱橋的索力測試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬研究十分必要，同時(shí)也為鋼管混凝土系桿拱橋的系統(tǒng)研究提供了重要依據(jù)和保障。

1 測試方法

目前應(yīng)用在系桿拱橋吊桿索力測試的主要方法有壓力傳感器法、油壓千斤頂法、磁通量法、有限元分析法、振動(dòng)頻率法等［6］。由于振動(dòng)頻率法不需要預(yù)埋傳感器，它利用環(huán)境的隨機(jī)振動(dòng)或人工激振作為吊桿激振，在吊桿上附著高靈敏度的傳感器，拾取吊桿在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大、譜分析，測定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。然后，根據(jù)吊桿索力與其振動(dòng)頻率之間的關(guān)系求出吊桿的索力。因此，對于成橋索力測試一般都采用振動(dòng)頻率法。

測定吊桿索力張拉值采用S形受拉式傳感器，連接DH-3818靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)讀出對應(yīng)吊桿的應(yīng)變值，通過應(yīng)變值換算出其相應(yīng)的索力張拉值［7-8］。

2 工程概況

烏魯木齊河特大橋DK1831+562.29—DK1831+ 692.39段跨越河灘路(圖1)，為雙線鐵路橋，是蘭新鐵路第二雙線的重點(diǎn)工程。主橋位于豎曲線內(nèi)，實(shí)際縱坡20%，設(shè)計(jì)中按正做斜置，即吊桿垂直于梁體。平面位于R=2 800 m的圓曲線上，按直線梁設(shè)計(jì)，平面采用平分中矢布置，梁端外矢距為38 cm，跨中外矢距為37.25 cm。

圖1 烏魯木齊河鋼管混凝土系桿拱橋

主橋上部結(jié)構(gòu)采用1孔128 m簡支系桿拱，拱軸線采用二次拋物線。橫橋向設(shè)置兩道拱肋，拱肋中心間距為13.8 m。系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，采用單箱雙室截面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為剛性系梁剛性拱。兩道拱肋共設(shè)17對吊桿，第一對吊桿距支點(diǎn)14.4 m，其余吊桿中心間距均為6.2 m。該橋在施工中的索力張拉是整個(gè)橋梁成型的重要問題之一，所以實(shí)驗(yàn)室澆筑相應(yīng)比例模型，為吊桿張拉力以及張拉順序的確定提供依據(jù)。

3 吊桿索力測試

在結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究中，只有模型和原型保持一定的相似比，才能由模型試驗(yàn)結(jié)果推算出原型結(jié)構(gòu)的相應(yīng)結(jié)果。結(jié)合相似比理論根據(jù)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)，確定在實(shí)驗(yàn)室模擬澆筑1∶16的橋梁模型。

由于實(shí)際橋型為剛性系桿剛性拱，所以為了更結(jié)合實(shí)際，實(shí)驗(yàn)室也模擬澆筑為剛性系桿剛性拱。試驗(yàn)所采用吊桿是直徑為0.8 cm的鋼絞線，采用這種鋼絞線也是為了在切合度上達(dá)到試驗(yàn)所要求的精度。本試驗(yàn)在吊桿張拉過程中，先進(jìn)行鋼絲束的下料，然后進(jìn)行編束，將鋼絲的一段錨固于拱肋之上，然后將另一頭的鋼絞線穿過梁體孔道，在梁體下采用錨具在施加預(yù)期張拉力之后進(jìn)行錨固。

在試驗(yàn)初期先對每個(gè)吊桿上布置的受拉傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)以及DH-3818靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。每5 kN為一級對傳感器進(jìn)行加載，每級對應(yīng)一個(gè)應(yīng)變值，這樣可以對應(yīng)擬合出一個(gè)傳感器標(biāo)定曲線，從而通過DH-3818所顯示的應(yīng)變值就可以確定相應(yīng)的索力張拉值。圖2為受拉傳感器標(biāo)定曲線。

圖2 受拉傳感器標(biāo)定擬合曲線

為方便研究，對吊桿進(jìn)行A，B編號(hào)，每側(cè)17對吊桿，由小里程往大里程編號(hào)為1～17。張拉通常按序(從拱頂向拱端或從拱端向拱頂)對稱地進(jìn)行。整個(gè)橋梁的張拉順序?yàn)?B13A-5A13B-1B17A-1A17B-9B9A-3B15A-3A15B-7B11A-7A11B-2B16A-2A16B-8B10A-8A10B-4B14A-4A14B-6B12A-6A12B，很顯然，對于同一最終預(yù)張拉力的設(shè)計(jì)值，不同的吊桿張拉順序，在各吊桿中施加的初始張拉力大小是不同的。而系梁的剛度較大時(shí)，吊桿索力將對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和剛度產(chǎn)生很大的影響，不良的索力將降低結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全性和可靠度［4］。吊桿索力張拉值按照相似比原理換算的模型索力張拉值如表1所示。

表1 索力張拉初始值及轉(zhuǎn)換值

在試驗(yàn)的過程中，后一根吊桿的張拉總會(huì)對前面所張拉的吊桿的索力張拉值產(chǎn)生影響。并且模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)還存在一定的差異，以及在吊桿張拉過程當(dāng)中人為操作因素和測量計(jì)算誤差等的影響，實(shí)際張拉完成后與預(yù)期要達(dá)到的目標(biāo)值還有一定的差距。為了滿足精度要求，要進(jìn)行索力的調(diào)整。在所有吊桿索力張拉完成后可測出每根索力的實(shí)際張拉值，通過對比實(shí)測值與目標(biāo)張拉值可以很好地調(diào)整索力初始張拉值。通過試驗(yàn)研究調(diào)整得出的系桿拱橋初始索力張拉值，可以很好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工時(shí)的索力張拉。具體調(diào)整值如表2所示。

表2 試驗(yàn)吊桿索力調(diào)整值

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室澆筑1∶16鋼管混凝土系桿拱橋模型，結(jié)合有限元模擬，得出吊桿的索力初始張拉值，對每根吊桿施加初始張拉力。當(dāng)每根吊桿索力張拉完成后，重新測試索力張拉值，通過分析目標(biāo)值與預(yù)期值，得出在吊桿的張拉過程中，后一根吊桿的張拉都會(huì)對前面所有吊桿初始的張拉值產(chǎn)生影響。同時(shí)可以看出系桿拱橋的索力張拉過程比較復(fù)雜，張拉順序以及張拉值對拱橋的成橋都有很大的影響，所以合理地確定吊桿索力值極為重要。在拱橋施工或者試驗(yàn)中吊桿索力對系桿拱橋的安全性、適用性和可靠度有很大的影響，而且由于張拉吊桿時(shí)索力復(fù)雜的相互影響，張拉控制力的確定也是一個(gè)難點(diǎn)。故此試驗(yàn)可以很方便地確定吊桿多次、分批張拉問題，保證張拉完成時(shí)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］范立礎(chǔ).橋梁工程(上冊)［M］.北京:人民交通出版社，2001:1-17.

［2］李杰，陳淮，江瑩瑩，等.鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力計(jì)算及調(diào)索方法研究［J］.鐵道建筑，2014(1):7-10.

［3］顧安邦.橋梁工程(下冊)［M］.北京:人民交通出版社，2000:1-14.

［4］于琦，孟少平.系桿拱橋吊桿張拉控制有限元模擬方法研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2008，25(1):89-91.

［5］趙洋，李樹山，李曉克，等.系桿拱橋吊桿索力測試研究［J］.工程抗震和加固改造，2011，33(4):56-60.

［6］魏建東.索力測試常用公式精度分析［J］.公路交通科技，2004，21(2):53-56.

［7］彭宣茂.系桿拱橋吊桿初始張拉力的計(jì)算方法［J］.水利水電科技進(jìn)展，2000，20(6):32-34.

［8］孫九春.拱式結(jié)構(gòu)吊桿張拉索力計(jì)算方法綜述［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2010，26(4):154-159.

Experimental study on cable tension of tied arch bridge model

DENG Xiao，WANG Qicai，ZHANG Rongling，YANG Yang
(School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Cable tension of CFST(concrete filled steel tube)tied arch bridge is a key step in construction.Sim ilarity ratio theory and m odel test w ere introduced in this paper.T he ratio o f the m odel to the real structu re w as 1/16.Finite element method was applied to analyze the cable tension in both the model and the structure.W ith comparison to the cable tension in the bridge in the second double line of Lanx in Railw ay，the effect of the tension order on the tension in each suspender w as analyzed.T he tension(after the first tension)d ifference between the pred icted and the m easu red was calcu lated，and the initial tension was calcu lated based on the m easured value.T he m odel test was perform ed，sim ulating the real structu re.T he cab le tension of the m odel w as m easu red and ad justed，contributing to the construction of the real structure.

T ied arch bridge;Sim ilarity ratio theory;Finite elem ent sim ulation;Cable tension

U448.22+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.05

1003-1995(2015)06-0017-03

(責(zé)任審編趙其文)

2014-09-27;

2015-03-12

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT1139);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51268032);蘭州交通大學(xué)青年科技基金項(xiàng)目(2012028)

鄧曉(1991—)，男，甘肅慶陽人，碩士研究生。