大跨徑鋼桁梁懸索橋靜力分析與荷載試驗研究

萬　鈺， 徐　朔， 馮　星

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙　410015)

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大跨徑鋼桁梁懸索橋靜力分析與荷載試驗研究

萬鈺， 徐朔， 馮星

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙410015)

摘要：張花高速公路澧水特大橋為單跨858 m鋼桁梁懸索橋，為檢驗大橋成橋狀態(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)場荷載試驗兩個方法對大橋的合理狀態(tài)進行了驗證，并通過將現(xiàn)場實測值與理論分析結(jié)果進行了對比分析。研究結(jié)果顯示：實測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，說明結(jié)構(gòu)數(shù)值模型準確模擬了大橋成橋后的受力狀態(tài)，對評估其受力性能具有較高的可靠性；此外，靜力試驗加載效率系數(shù)介于0.95～0.97之間，設(shè)計的試驗荷載能夠等代汽車荷載，各測點實測變形值均小于理論計算值；變形校驗系數(shù)介于0.82～1.00之間，且相對殘余變形值較小，表明汽車荷載作用下橋梁處于彈性狀態(tài)，結(jié)論對同類型橋梁的設(shè)計和施工具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：懸索橋； 鋼桁梁； 靜力試驗； 變形測試

在實際工作中，由于各種因素的影響，施工過程中各階段結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)不可避免的偏離實際狀態(tài)，為檢驗實體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，了解實際結(jié)構(gòu)受力特性，掌握結(jié)構(gòu)運營期間的使用性能，通過靜載試驗觀測結(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的實際工程應(yīng)用并不多，但隨著西部大開發(fā)的推進，該類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)于如何檢驗該類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，對大跨徑鋼桁梁懸索橋成橋后受力特性進行有限元模擬分析，介紹結(jié)構(gòu)變形的觀測方法和測試內(nèi)容，并結(jié)合該橋的靜載試驗成果，對該橋的結(jié)構(gòu)變形測試結(jié)果進行分析和評價，為該類橋梁的力學(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，以及該類型橋梁后期運營養(yǎng)護提供技術(shù)支撐，同時，對同類型的其它橋梁的設(shè)計和施工具有指導(dǎo)意義。

1工程背景

澧水大橋為張家界至花垣高速公路上的一座簡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，吊索標準間距為12 m，端吊索至索塔中心線的距離為20 m，端吊索公稱直徑64 mm，其余吊索公稱直徑為56 mm。鋼桁梁全長854 m，桁高6.5 m，桁寬28 m。鋼桁梁標準節(jié)間長度6 m，一個標準節(jié)段長度12 m。索塔均采用雙柱門式框架結(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道高速公路標準設(shè)計，設(shè)計荷載標準為公路—I級，設(shè)計車速為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

移動荷載及其它外加荷載作用下，懸索橋結(jié)構(gòu)受力按剛度進行分配，體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的變位。大跨懸索橋?qū)儆诜蔷€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)變形提供強大的重力剛度。懸索橋施工過程中，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)幾何非線性的受力的特點，然而成橋運營狀態(tài)，活載引起的結(jié)構(gòu)變形與所受荷載基本上呈線性關(guān)系[4]。

2.2有限元建模與影響線

通過‘等代’荷載計算原則，按橋梁控制截面的撓度影響線進行加載，確定設(shè)計汽車荷載作用下等效試驗荷載的加載噸位及加載位置。采用計算軟件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單元模擬，主纜和吊索采用只受拉不受壓的索單元模擬，通過集中質(zhì)量把橋面系質(zhì)量分布于橋面節(jié)點，橋面鋪裝的重量計入橋面板的密度中，橋墩底部及主纜錨固采用固結(jié)約束 ，因該橋為半漂浮體系，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個節(jié)點，9 935個單元。有限元模型見圖2。大橋最不利截面變位影響線如圖3。

圖2　澧水大橋有限元模型

圖3　澧水大橋變位影響線

3現(xiàn)場變形測試

3.1測試內(nèi)容和測點布置

本次靜力荷載試驗主要測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)豎向撓度測點布置在鋼桁梁與主纜上下游兩側(cè)，邊跨按2等分點布置，主跨按8等分點布置，共44個測點，如圖4所示。結(jié)構(gòu)縱向位移測點按上下游分別布置在兩索塔塔柱頂端和鋼桁梁兩端，共8個測點，結(jié)構(gòu)橫斷面測點布置如圖5所示。

圖4　索塔、主纜和鋼桁梁變形測點布置(單位： cm)

圖5　變形測點橫斷面布置

3.2測試方法

鋼桁梁撓度、主纜撓度及索塔塔頂縱向變位測試均采用徠卡TS30(測角精度為±0.5″，測距標準差為1 mm+1×10-6)全站儀進行極坐標和三角高程四測回觀測。鋼桁梁兩端的縱向漂移采用大量程游標卡尺(量程為500 mm，精度為0.02 mm)進行觀測，測點布置在鋼桁梁兩端抗風(fēng)支座支承中心線上，上、下游各布置1個測點，兩端共4個測點。為便于試驗過程中提高測試效率和測試精度，在施工控制坐標網(wǎng)中選取4個觀測站對結(jié)構(gòu)變位進行觀測，1#觀測站負責上游側(cè)主纜及鋼桁梁撓度的18個測點，2#觀測站負責下游側(cè)主纜及鋼桁梁撓度的18個測點，3#觀測站負責張家界側(cè)索塔塔頂縱向變位的2個測點及張家界側(cè)邊跨上下游側(cè)主纜的4個測點，4#觀測站負責花垣側(cè)索塔塔頂縱向變位的2個測點及花垣側(cè)邊跨上下游側(cè)主纜的4個測點，如圖6所示。

圖6　全站儀觀測站布置示意(單位： m)

4靜載試驗分析

4.1試驗工況分析

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

本次試驗加載車均為雙后軸載重車，如圖7所示。單輛試驗車總重約為400 kN，前軸與中軸標準距離為B=3.6 m，中軸與后軸的標準距離為A=1.4 m，前軸橫向標準輪距為D=1.8 m，前軸、中軸與后軸重量分配比例約為2∶3∶3。

圖7　試驗車輛

本次靜力荷載試驗設(shè)計3個結(jié)構(gòu)變位試驗工況，3個試驗工況加載效率系數(shù)均介于0.80～1.05之間，各工況加載車數(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 主要測試截面試驗荷載效率系數(shù)工況號測試內(nèi)容車輛數(shù)量總重/kN設(shè)計計算值/m加載計算值/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　試驗加載載位布置(單位： m)

4.2試驗結(jié)果分析

本次試驗在11月份進行，試驗期間為陰天，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，可以忽略溫度變化對結(jié)構(gòu)變位的影響[4]，限于篇幅，本文僅對工況I的試驗結(jié)果及3個工況荷載作用下鋼桁梁豎向撓度測點測試結(jié)果進行介紹與分析。工況I試驗荷載作用下，結(jié)構(gòu)最不利截面變位測試結(jié)果如表2所示，結(jié)構(gòu)最不利截面變位與荷載關(guān)系曲線如圖9所示。

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

靜力荷載試驗中，通過觀測鋼桁梁線型的變化可以檢驗結(jié)構(gòu)的整體受力性能及施工質(zhì)量[6]。在縱向?qū)ΨQ與反對稱荷載作用下，鋼桁梁線型變化一致，對應(yīng)測點撓度差值較小，相對鋼桁梁撓度變形值可以忽略，橫向無扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且縱橋向呈現(xiàn)明顯的對稱與反對稱特性。在橫向偏載作用下，鋼桁梁線型變化趨勢一致，但上游側(cè)鋼桁梁控制點實測豎向撓度明顯大于下游側(cè)鋼桁梁撓度，對應(yīng)點撓度最大差值為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荷載作用下，通過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，與該截面模型計算偏載系數(shù)1.151一致。以上試驗結(jié)果及現(xiàn)象再次說明了結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)與計算模型的受力狀態(tài)十分吻合，鋼桁梁線型變化合理，橋面結(jié)構(gòu)的橫向傳力性能良好。以上3個靜力荷載試驗工況，均給出了鋼桁梁線型變化的對比圖型，如圖10所示。

鋼桁梁最不利截面撓度數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表2 工況I靜力試驗結(jié)果工況號測點位置實測值/m計算值/m校驗系數(shù)/m最大變位值/m殘余值/m相對殘余值/%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為“+”,向張家界方向為“-”。

圖9　變位與荷載關(guān)系曲線

圖10　工況I、II、III荷載作用下鋼桁梁豎向撓度對比　　　圖形

表3 鋼桁梁最不利截面撓度數(shù)據(jù)對比結(jié)果工況測點位置撓度實測值/mm撓度理論值/mm上游下游上游下游上游實測-下游實測/mm上游理論-下游理論/mm偏載增大系數(shù)實測理論工況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荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形情況，并對試驗測試結(jié)果進行了介紹與分析。靜載試驗結(jié)果與理論計算值基本一致，加載效率系數(shù)滿足規(guī)范要求，變位校驗系數(shù)滿足要求，殘余變形較小，表明成橋后澧水大橋承載能力滿足設(shè)計要求，設(shè)計汽車活載引起的結(jié)構(gòu)變形與所受荷載基本上處于線性變化關(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：1008-844X(2016)02-0155-05

收稿日期:2016-05-16

作者簡介:萬鈺( 1989-) ，女，主要從事路橋試驗檢測及相關(guān)管理工作。

中圖分類號：U 446

文獻標識碼：A