基于靜載試驗(yàn)的自錨式懸索橋承載性能分析*

楊剛，余洋

（南京理工大學(xué)理學(xué)院土木工程系，江蘇南京 210094）

基于靜載試驗(yàn)的自錨式懸索橋承載性能分析*

楊剛，余洋

（南京理工大學(xué)理學(xué)院土木工程系，江蘇南京 210094）

針對(duì)特定的交通運(yùn)輸需求，每座橋梁必須滿(mǎn)足一定的承載能力。但受到外界環(huán)境的影響，橋梁在使用過(guò)程中會(huì)受到損傷，其承載能力也隨之發(fā)生變化。文中對(duì)南京市小龍灣橋自錨式懸索橋進(jìn)行靜載加載試驗(yàn)，分析不同荷載工況下主纜的位移、錨跨的內(nèi)力增量及主梁的應(yīng)力，評(píng)定其承載性能；通過(guò)MIDAS／Civil 2012建立有限元模型模擬汽車(chē)加載試驗(yàn)，計(jì)算相同工況下橋梁的受力特性，并將兩者相互對(duì)比，評(píng)價(jià)小龍灣橋的承載性能。結(jié)果表明小龍灣橋具有良好的性能，足夠承擔(dān)現(xiàn)有的交通運(yùn)輸需求。

橋梁；自錨式懸索橋；靜載試驗(yàn)；受力特性

自錨式懸索橋以其優(yōu)越的性能、優(yōu)美的線形、新穎的外觀及選址靈活等特點(diǎn)在城市中小跨徑橋梁中成為一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的方案，同時(shí)其承載能力也越來(lái)越受到重視。為了確保懸索橋結(jié)構(gòu)的承載能力，在橋梁驗(yàn)收時(shí)需對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。該文通過(guò)南京市小龍灣橋的汽車(chē)靜載試驗(yàn)對(duì)懸索橋承載性能進(jìn)行分析。

1 工程概況

小龍灣橋是一座主跨96 m的自錨式懸索橋，位于南京江寧區(qū)，是連接秦淮河兩岸的重要通道。主橋采用三跨自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，雙塔雙索面布置，跨徑組合為（44+96+44）m=184 m。主塔采用燈塔造型，總高為35.4 m，橋面以上塔高22.6 m。主纜成橋線形采用二次拋物線，中跨矢跨比為1／5.5，主纜橫橋向中心距為18 m。加勁梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力砼箱梁，梁高1.74～2.0 m。吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為5 m，箱梁每5 m設(shè)置一橫梁與吊索對(duì)應(yīng)。主塔采用直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)（見(jiàn)圖1～3）。

圖1 小龍灣橋立面圖（單位：m）

圖2 小龍灣橋平面圖（單位：m）

圖3 小龍灣橋主塔處橫斷面圖（單位：m）

2 有限元模擬

2.1 建立模型

利用MIDAS／Civil 2012進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元靜動(dòng)力計(jì)算分析，懸索橋的加勁梁、橫梁、主塔、橋墩均采用梁?jiǎn)卧M，主纜和吊桿則采用只受拉的桁架單元模擬，全橋共394個(gè)節(jié)點(diǎn)、318個(gè)單元。箱梁內(nèi)側(cè)和懸索橋塔頂采用剛性連接約束，支座、散索鞍和錨固端采用彈性約束，吊桿與主梁連接采用一般支承約束。有限元模型見(jiàn)圖4。

2.2 模型材料特性

有限元模型中，主梁和橫梁采用C50砼，主塔

采用C40砼，主纜和吊桿采用高強(qiáng)鍍鋅鋼絲。材料特性和截面類(lèi)型分別見(jiàn)表1、表2。

圖4 小龍灣橋有限元模型

3 靜載試驗(yàn)

3.1 車(chē)載工況

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》，為了避免高溫、強(qiáng)光、強(qiáng)風(fēng)、高濕度等自然條件對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)在夜間進(jìn)行。該橋靜載試驗(yàn)采用10輛三軸載重汽車(chē)加載，其前輪軸重60 k N，后輪軸重120 k N，車(chē)輪縱向軸距分別為3.3和1.3 m，橫向輪距為1.8 m（見(jiàn)圖5）。

表1 有限元模型主要材料特性

表2 有限元模型主要截面特性

圖5 加載車(chē)輛布置（單位：m）

選定正載、偏載及扭轉(zhuǎn)三類(lèi)主要工況對(duì)主橋進(jìn)行成橋荷載試驗(yàn)，根據(jù)最不利影響線原則進(jìn)行荷載布置，以反映懸索橋結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)。主要測(cè)試工況加載位置及方式見(jiàn)表3，工況1時(shí)汽車(chē)的加載見(jiàn)圖6。

圖6 工況1時(shí)汽車(chē)加載示意圖（單位：m）

3.2 測(cè)試布控位置

為準(zhǔn)確測(cè)量該橋主梁在不同靜載工況下主纜位移和主梁應(yīng)力，開(kāi)始試驗(yàn)前，在南纜西邊跨跨中、中跨L／4、中跨跨中、中跨3L／4、東邊跨跨中［分別為圖7（a）中L1、L2、L3、L4、L5測(cè)點(diǎn)］粘貼反光片，在加勁梁邊跨跨中、中跨L／4處截面、中跨3L／4處截

面［分別為圖7（a）中S1、S2、S3、S4、S5截面］粘貼表貼式應(yīng)變片。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)主要布置在中跨加勁梁、正交異性橋面板（局部加載測(cè)點(diǎn)）、吊索耳板、跨中兩吊索之間的橫隔板等部位。主纜位移和主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。

圖7 主纜位移及應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 主纜位移

各加載工況下主纜位移實(shí)測(cè)值見(jiàn)表4，與計(jì)算值的對(duì)比見(jiàn)圖8。從表4可以看出：1）在工況1、工況3和工況5時(shí)，L1和L5的位移增量都為正值，最大位移增量分別為5.3和6 mm；L2、L3和L4都為負(fù)值，最大位移增量分別為-16.0、-30和-18.2 mm。表明當(dāng)汽車(chē)靜載作用在中跨時(shí)，中跨主纜向下移動(dòng)，邊跨主纜向上移動(dòng)，符合橋梁的受力規(guī)律。2）在工況2和工況4時(shí)，L1的位移增量為負(fù)值，最大位移增量為-5.0 mm；L2、L3和L4都為正值，最大位移增量分別為4.0、4.0和1.0 mm；L5的位移增量為零。表明當(dāng)汽車(chē)靜載作用在邊跨時(shí)，中跨主纜向上移動(dòng)，受汽車(chē)靜載作用的邊跨主纜向下移動(dòng)，但另一端不是。

表4 各加載工況下的主纜位移mm

圖8 主纜位移增量對(duì)比

從圖8可以看出：主纜位移增量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值貼合很好，且大部分計(jì)算值比實(shí)測(cè)值小，說(shuō)明橋梁的剛度值比預(yù)計(jì)的好。當(dāng)車(chē)輛加載在中跨時(shí)，主纜測(cè)點(diǎn)位移趨勢(shì)一致呈V字形，兩端主纜位移方向向上，與中間主纜測(cè)點(diǎn)位移方向相反，兩端位移小于中間位移。當(dāng)車(chē)輛加載在邊跨時(shí)，主纜測(cè)點(diǎn)位移方向與車(chē)輛加載在邊跨時(shí)完全相反，中間測(cè)點(diǎn)位移向上，兩端測(cè)點(diǎn)位移向下。

4.2 錨跨內(nèi)力增量

各加載工況下錨跨內(nèi)力增量實(shí)測(cè)值見(jiàn)表5，與計(jì)算值的對(duì)比見(jiàn)圖9。

從表5可以看出：1）在工況1、工況2和工況5時(shí)，4個(gè)錨跨的內(nèi)力增量較平均，分別為822.5～922、507.5～581.5、529.6～590.8 k N，說(shuō)明該橋在主梁受到對(duì)稱(chēng)荷載時(shí)內(nèi)力傳遞合理。2）在工況3和工況4時(shí)，4個(gè)錨跨的內(nèi)力增量差別較大，最大、最小差值分別為343.3和255.4 k N，且南邊錨跨的內(nèi)力增量明顯大于北邊錨跨的內(nèi)力增量，這是由于這兩種工況下汽車(chē)荷載作用在南邊主梁上。因此，錨跨內(nèi)力差異較大也是合理的。

表5 各加載工況下的錨跨內(nèi)力增量k N

圖9 錨跨內(nèi)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

從圖9可以看出：各工況下，主纜錨跨內(nèi)力增量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值十分接近，最大錨跨內(nèi)力增量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的偏差大都為-0.1%～-3.1%，且錨跨內(nèi)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相比偏大。說(shuō)明該橋的整體剛度比預(yù)設(shè)計(jì)的好，橋梁整體構(gòu)件性能良好，傳遞內(nèi)力合理。

4.3 主梁應(yīng)力

選取S3截面（中跨跨中截面）作為應(yīng)力測(cè)試值與計(jì)算值對(duì)比截面，應(yīng)力實(shí)測(cè)值見(jiàn)表6，與計(jì)算值的對(duì)比見(jiàn)圖10。

表6 各加載工況下S3截面的應(yīng)力MPa

圖10 應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

從表6可以看出：1）在工況1、工況3和工況5時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值都為正值，S3截面梁底受拉，最大拉應(yīng)力分別為2.07、2.21、1.1 MPa，實(shí)測(cè)卸載后的殘余應(yīng)變均小于±2με，說(shuō)明在設(shè)計(jì)荷載作用下該橋處于彈性工作階段，工作性能良好。2）在工況2和工況4時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值都為負(fù)值，S3截面梁底受壓，最大壓應(yīng)力分別為0.14、0.10 MPa，且應(yīng)力波動(dòng)小，說(shuō)明該橋處在彈性工作階段，性能良好。

從圖10可以看出：主梁應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值十分接近，兩者差值為-1～1 MPa，最大偏差出現(xiàn)在工況3下4號(hào)測(cè)點(diǎn)處，為-1.24 MPa。表明在成橋

階段，在車(chē)輛靜載作用下主梁截面應(yīng)力合理。

5 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)荷載作用下，主纜變形趨勢(shì)與計(jì)算值基本一致，說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度符合設(shè)計(jì)要求。

（2）各受力工況下主纜錨跨內(nèi)力增量與計(jì)算值基本一致，說(shuō)明結(jié)構(gòu)主要受力體系合理，與設(shè)計(jì)吻合，同時(shí)說(shuō)明橋梁主跨結(jié)構(gòu)分析模型能較精確地反映大橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

（3）在靜載試驗(yàn)下，主梁實(shí)際受力與設(shè)計(jì)吻合較好，卸載后應(yīng)力回零良好，最大應(yīng)力值在C50砼允許范圍內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，且材料受力處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

根據(jù)結(jié)構(gòu)表觀狀況檢查結(jié)果，該橋橋面鋪裝、橋面系各構(gòu)件均完好；主梁線形平順，砼澆筑質(zhì)量較高；支座完好；主塔各部分砼完好；主纜涂裝完好，主鞍座、散索鞍、主纜索股錨頭和吊桿錨頭完好，吊桿防護(hù)較好?？傊摌蛲庥^質(zhì)量較好，施工質(zhì)量較高，結(jié)構(gòu)完好，承載能力能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載的要求。

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U446

A

1671-2668（2016）06-0177-05

2016-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51208260）