懸索橋支反力模型的試驗研究分析

史振東，陳紅英

（太原理工大學(xué)工程力學(xué)實驗中心，山西 太原 030024）

0 引言

近年來對于中承式懸索橋的研究都側(cè)重于測定試驗靜應(yīng)變、靜撓度、動力響應(yīng)或利用有限元進(jìn)行計算分析。中承式懸索橋是拱橋橋梁工程中的一種結(jié)構(gòu)形式，由于它受力合理，外型美觀，深受設(shè)計師們的歡迎，但其受力情況十分復(fù)雜，國內(nèi)外既無完整精確的理論分析方法和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，又無成熟的試驗研究成果可以借鑒[1-3]。在此狀態(tài)下我們利用早已成熟的相似理論采用有機(jī)玻璃做成橋的模型進(jìn)行了研究分析。

1 試驗方法

懸索拱橋是以主纜和拱作為主要受力構(gòu)件的組合橋梁體系, 是在桁式拱橋的基礎(chǔ)上，以自錨式懸索結(jié)構(gòu)作為桿系, 構(gòu)成新型的系桿拱橋橋式[4-5]。

中承式懸索橋采用有機(jī)玻璃制造大型實體模型。其材料參數(shù)為E=2140 MPa，μ=0.17。原型設(shè)計量綱和模型材料參數(shù)之比為10:1；位移比為40:1；幾何比為40:1、恒載比為400:1；集中荷載比為16000:1；彎矩比為640000:1。實體模型跨度長1.65 m，橋面凈寬0.47 m。模型結(jié)構(gòu)設(shè)計由橫梁21根、縱梁7根、拱圈2片及懸索桿組成。模型拱圈截面為矩形，在懸索桿的連接點處設(shè)橫隔板（拱肋），通過懸索桿和橋面橫梁連接。在所有連接點處安裝精密測力傳感器測量支反力，如圖（1）所示，共計38個傳感器。所施加荷載分為均布荷載和集中移動荷載。均布荷載采用增量法分五級逐級加載。集中移動荷載，模擬橋面實際受力情況，用砝碼沿橋面中縱梁4、邊內(nèi)縱梁2、3依次移動加載，如圖（2）所示共計30個加載點[6-10]。試驗設(shè)備為江蘇東華DH5922動態(tài)信號采集系統(tǒng)，力值位移均自動采集。

圖1 中承式懸索橋的支反力模型側(cè)面示意圖Fig.1 Side schematic drawing of Normal Forces from Half-through Arch Suspension-bridge Models

圖2 橋面集中荷載加載點示意圖Fig.2 Schematic drawing of loading point on central load of bridge floor

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 均布荷載

均布荷載下的支反力的分布規(guī)律如圖（3）所示。橋面橫向兩側(cè)在均布荷載作用下的支反力變化和分布對稱性好，大小一致[11]。實測承受的支反力，兩個拱圈占到了總荷載的93%以上，表明主要承重由拱圈承擔(dān)的特點。橋梁中部受力均勻，4～16號梁的連接點處測得的支反力都在30～38之間，在2號和18號橫梁連接點處測得的支反力最大。

圖3 均布荷載下左、右側(cè)支反力的分布規(guī)律Fig.3 Normal forces’ distribution patterns of left and right side by exerting the uniformly distributed load

2.2 集中移動荷載

實體模型結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，表1中數(shù)據(jù)說明：荷載施加在橫梁中部時各橫梁兩端實測力值大小一致，分布對稱，隨著荷載向橫梁外側(cè)移動，支反力也有著相應(yīng)的規(guī)律性變化，距加載點近的一端支反力明顯增大，反之減小，這是模型結(jié)構(gòu)真實的反應(yīng)，和設(shè)計理論相一致。綜合圖表分析可知：加載點沿著縱梁方向移動時，在1～5加載點橫梁兩端支反力最大，其荷載主要分布在加載點兩側(cè)5根橫梁的懸索桿上，約占總荷載的65%。當(dāng)加載點移動到梁端6～10號靠近支坐時，支反力變得更加集中，加載點兩側(cè)5根橫梁支點的反力約占總荷載的80%以上，此時最大支反力均出現(xiàn)在2號橫梁的支點上，并不在各加載點橫梁支點上，當(dāng)加載點位于9號點時，2號橫梁支反力達(dá)到最大值30.2 N，單點支反力占到總荷載的50%[12-14]。

表1 集中移動荷載下支反力Table 1 normal forces Under the concentrated load

加載點沿著邊內(nèi)縱梁2移動時。橫向上，距加載點較近一側(cè)的拱梁支點上支反力約占總荷載的95%，距離較遠(yuǎn)一側(cè)的拱梁支點上支反力只占到總量的5%以內(nèi)[15]?？v向上，得出的規(guī)律和荷載在中部時一致。

圖4 加荷點1號左、右側(cè)支反力的分布Fig.4 Normal forces’ distribution of left and right side in loading point NO.1

圖5 加荷點10號左、右側(cè)支反力的分布Fig.5 Normal forces’ distribution of left and right side in loading point NO.10

圖6 加荷點20號左、右側(cè)支反力的分布Fig.6 Normal forces’ distribution of left and right side in loading point NO.20

圖7 加荷點11號左、右側(cè)支反力的分布Fig.7 Normal forces’ distribution of left and right side in loading point NO.11

加載點沿著內(nèi)縱梁3移動時，遠(yuǎn)端和近端拱梁橫向支點反力的比為1:3，靠近模型縱向端部位置時，遠(yuǎn)端和近端拱梁橫向支點反力的比為1:2.2。

3 結(jié)論

（1）模型承受均布荷載時支反力變化和分布對稱性好，橫梁連接點處支反力由懸索桿直接傳給拱圈，拱圈承擔(dān)了模型的大部分荷載，占總值的93%。橋梁中部受力均勻，4～16號梁的連接點處測得的支反力都在35 N左右。最大支反力位于2號橫梁與懸索桿連接點處的支點。（2）在集中移動荷載作用下，當(dāng)荷載施加在模型的邊緣和端部時，模型承受的荷載更為集中，加載點附近集中承擔(dān)了總荷載的95%以上。（3）拱圈和橋面橫梁的交接點是多種加載方案下支反力集中體現(xiàn)的關(guān)鍵部位。