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摘要:本文利用全桥模型研究这种新型结构的体系转换过程和结构在荷载作用下的响应,重点介绍了该桥全桥静动力试验模型的结构设计及关键技术、试验过程和试验研究结果。...

佛山平胜大桥全桥模型试验研究

胡建华 沈锐利 张贵 唐茂林 王忠彬

(湖南交通规划勘察设计院,湖南长沙4100082.西南交通大学,四川成都610031)

     平胜大桥是广东佛山市和顺至北滘一级公路跨东平水道的一座特大型公路桥梁,也是世界上第一座独塔单跨自锚式悬索桥。加劲梁采用钢和混凝土的混合结构,桥塔为三柱式门式塔。该桥属于一种新的结构唪系,国内外还没有对这种体系的结构进行过静动力特性及力学行为研究,该桥的设计和建设在国内外均无现成经验和资料可借鉴,因此需要通过模型试验来验证设计理论,通过试验确定合理的施工阶段结构体系转换过程,检验施工方案的可行性。本文介绍了该桥全桥模型试验的模型设计、吊索体系转换过程模型试验和结构静力特性模型试验。

一、试验模型的设计

    平胜大桥模型试验要模拟施工过程,应选用合适的缩尺比。在综合考虑试验内容、模型材料、制作精度及试验场地基础上,确定模型的几何缩尺比为120,力的缩尺比为l10

    结构模型试验应满足几何、边界和刚度等相似条件。自锚式悬索桥在主缆安装、结构体系转换过程中,加劲梁将发生压缩变形,这种变形对主缆的线形和结构的整体内力都将产生较大的影响,设计模型时一定要保证主缆、加劲梁等在轴向力作用下的应变与实际结构相同,这是自锚式悬索桥与地锚式悬索桥模型设计的不同。

    1为佛山平胜大桥试验模型的总体构造示意图。整个试验模型由2根主缆、54根吊索、加劲梁、桥塔、锚箱、桥墩、临时墩以及静动力测试系统等组成。

1佛山平胜大桥试验模型的总体构造示意(ram)

    11加劲梁的结构设计

    自锚式悬索桥加劲梁在受力特性上属于压弯组合体系。根据相似原理,模型和原型的面积、竖弯和扭转惯性矩等几何特性必须满足相似关系。模型所选用材料的弹性模量越大,其几何特性的相关量值就越小。考虑到模型加工制作和安装的实际情况,模型主跨加劲梁选用铝合金为主要材料,钢材为辅助材料,分14段进行加工制作,通过机加工校准几何尺寸。为了使模型能拼装达到设计要求的竖曲线,先在试验台座上通过粘连、铆接、焊接把模型主跨加劲梁拼装成4大段,然后再通过天车将其吊装到临时墩上安装成一体。

    模型主跨加劲梁的标准断面由槽型铝板和顶板组成箱形形状,顶板和槽板分别采用14 mm1 mm的铝合金。此截面轴向刚度、竖弯刚度和扭转刚度严格满足相似关系。由于模型加劲梁要承受主缆锚固传递的强大轴向力,考虑到箱梁的局部稳定性问题,在箱梁的顶面和底面各设有两条铝合金球形加劲肋,如图2所示。

    图2中的模型只在高度方向满足相似关系,宽度方向并不满足。为了能完全模拟吊索和加劲梁相对位置的几何相似关系,在吊点处加劲梁的两侧面伸出刚臂,在刚臂上设置锚板,以便吊索与加劲梁连接。刚臂选用钢材。刚臂与箱梁通过角铝连接件由半圆头铆钉连接成整体。主跨吊点处加劲梁的断面如图3所示。

    按几何相似,主跨模型加劲梁每隔15 cm设有一块横隔板。从制作和安装方面考虑,标准断面处的横隔板为木板,通过木螺丝与铝合金箱梁连接。吊点处的横隔板为钢板通过半圆头铆钉与箱梁连接。模型与原型应满足质量相似,故模型主跨加劲梁需要配重。换算的原型钢箱梁的自重,采用在模型梁顶面摊铺配重和箱梁横隔板处悬挂配重的方法施加在模型梁上。为配合质量惯性矩的设计和动力特性试验,将二期恒载换算为集中质量悬吊作用在吊索锚固点处。

2主跨加劲梁标准断面(mm)

3主跨加劲梁吊点处截面(mm)

    原型的边跨梁为混凝土箱梁,截面几何特性的相关量比较大,模型采用薄壁槽钢和钢板焊接组合截面进行模拟。按轴向、竖向刚度相似的原则,设计的模型边跨加劲梁的截面如图4所示。采用厚钢块均布在加劲梁顶面来满足模型配重要求。

 

4模型边跨断面(单位:mm)

    实桥在桥塔处和主跨侧锚碇处设有两个结合段,试验模型在上述两处也设有结合段,以便准确模拟原型独塔自锚式悬索桥的力学性能。两结合段均采用钢板组合焊接成的箱梁截面,通过改变梁高和底板宽度来调整箱梁截面的几何特性,以便满足模型与原型结合段在几何特性上的相似关系。结合段通过焊接和铆接分别与边跨钢箱梁和主跨铝合金箱梁连接。

    12主缆和吊索的结构设计

    模型的主缆采用高强度弹簧钢丝制作,按相似比一算,每根主缆选用40根直径为l mm的高强度弹簧钢丝。将弹簧钢丝进行预张拉消除可能存在的非弹三变形和不平度后,将40根钢丝平行排列,按所需长度下料后,根据配重数量将配重圆柱块均匀穿挂于三缆上,穿心式测力传感器穿挂于主缆的两端。然后将钢丝固定在锚头的分丝板上,灌注冷铸锚填料,制做好带锚头的模型主缆。在加劲梁的两端设有锚箱,{型主缆锚固在锚箱后面的锚垫板上,用不同厚度的带槽口的垫板来调节主缆的制作长度误差。锚箱上用混凝土块压重以模拟实桥的锚箱重量。

    模型的吊索采用直径为l mm的单根弹簧钢丝,以保证与原型吊索的面积相似。模型的每根吊索上连接一个测力传感器,再通过全螺纹锚杆与主跨加劲梁伸臂处的锚板用螺母连接在一起。

    1.3模型桥塔和桥墩的设计

    试验模型的桥塔采用三柱式门式塔。桥塔的中塔:三乏边塔柱的主截面采用矩形冷弯薄壁型钢材料,以抗弯刚度的模拟为主,在矩形型钢的侧面焊接宽度沿至向变化的钢板来模拟原型桥塔塔柱截面的变化。模模型塔的上下横梁为热轧工字形钢,通过焊接与桥塔柱连接在一起。桥塔基础采用混凝土地梁,通过钢板预埋的地角螺栓把桥塔柱柱脚与基础连接成一体。  桥墩和临时墩及其基础采用混凝土结构,桥墩与临时墩顶部设置钢板作支承,精确测量控制钢板的高主乏水平度。在支承钢板上设置高度调节装置,顶上置钢板.荷载传感器设置于梁底。

    14模型的安装调试

    模型的安装调试步骤如下:

    (1)施工桥塔基础混凝土地梁、桥墩和临时墩。

    (2)安装桥塔。通过测量仪器和桥塔底座下的调整垫片保证模型桥塔柱的安装精度。

    (3)安装加劲梁和锚箱。先将各桥墩墩顶压力传感器与模型梁接触点的标高通过精密测量仪器调到设计位置,然后用吊车把已预制好的钢加劲梁和已在试验台座上分段拼接保证竖曲线的铝合金加劲梁以及已预制好的结合段、锚箱等吊装就位,通过铆接形成模型梁结构。安装完成的结构要确保加劲梁及连接部件线形准确、连接可靠。

    (4)按计算的主缆线形、各鞍座的预偏量安装主缆、索夹和悬挂吊索,形成试验模型。

    (5)安装和调试测试系统。

二、结构体系转换过程模型试验研究

    21体系转换过程模拟试验方法

    平胜大桥由于边跨不悬吊,主鞍座的预偏量在架缆时接近l4 m,主跨跨中主缆标高空缆状态与成桥状态相差近7 m,这些数据远大于国内外其他自锚式悬索桥。自锚式悬索桥施工时需要先在支架上或临时结构上架设加劲梁,然后架设主缆,在加劲梁重量未转换到主缆上前,主缆弹性伸长没有发生,空缆线形与成桥线形高程相差较大,必须通过一定的施工手段,才能将主缆与加劲梁通过吊索连接起来,使结构达到设计的线形和内力。吊索的这一安装过程可称为自锚式悬索桥的体系转换过程。施工中如何实现结构体系的转换、如何优化施工方案,是建设、设计和施工关心的问题,本文模型试验研究的主要目的之一就是解决结构体系转换的关键技术问题。

    模型试验中研究和试验了多种吊索张拉过程,限于篇幅,本文仅介绍其中的一种:辅助压重单根一次张拉安装法。

    辅助压重单根一次张拉安装法是指每一试验工况按计算的吊索无应力长度锚固一根吊索,但是锚固的力不能超过该吊索的允许张力值。如果直接按无应力长度锚固某根吊索时的张力超过了允许值,则在尚未张拉的吊索上压重,需要压重的吊索数量和压重量根据计算确定,原则是张拉和压重的吊索的张力都不超过允许值。

    模型试验采用此种体系转换方法来模拟实际施工中利用接长杆和超前辅助张拉法一次性直接安装吊索的过程,这种张拉方法每根吊索理论上只需一次调整长度就可进行锚固,其他张拉只需控制张力;这种吊索安装过程张拉次数少,接长杆可反复使用,因此需要的数量少,可缩短施工工期,减少施工费用和临时施工材料。这是一种典型的无应力长度控制法。

    采用文献所介绍的方法和开发的程序进行模型线形的计算和结构静力分析。

    22试验过程

    按实桥吊索设计截面,施工时各吊点吊索力应不超过2000 kN。根据相似比关系,模型试验时每吊点的最大张拉力应不超过500 N

    模型试验过程如下:将吊索从桥塔至锚碇按127顺序编号。从l号吊索开始依次按无应力长度控制进行张拉锚固;如果该工况安装的吊索直接按无应力长度张拉锚固,其张力不超过500 N,则按计算力张拉到位后直接锚固;如果张拉力超过500 N,则在尚未张拉的前端吊索上悬挂砝码,然后按压重后的计算锚固力进行张拉锚固。前端有几对吊索悬挂砝码、每对悬挂多少根据计算确定。

    计算结果表明:15号和27号吊索可以直接张拉锚固;68号吊索张拉锚固时需要分别在其前端一根吊索上悬挂02 kN的砝码;张拉锚固910号吊索需要在其前端两根吊索上分别悬挂02 kN的砝码;张拉ll号吊索时,需要在12号吊索上悬挂02 kN13号吊索上悬挂03 kN砝码;张拉12号吊索时,需要在13号吊索上悬挂03 kN14号吊索上悬挂04 kN砝码;张拉1316号吊索时,需要在各自的前端三根吊索上分别悬挂04 kN的砝码;张拉l7号吊索时,需要在1819号吊索上悬挂04 kN20号吊索上悬挂03 kN砝码;张拉18号吊索时,需要在19号吊索上悬挂04 kN2021号吊索上悬挂03 kN砝码;张拉l923号吊索时,需要在各自的前端三根吊索上分别悬挂03 kN的砝码;张拉24号吊索时,需要在2526号吊索上悬挂03 kN27号吊索上悬挂02 kN砝码;张拉25号吊索时,需要在26号吊索上悬挂03 kN27号吊索上悬挂02 kN砝码;张拉26号吊索时,需要在27号吊索上悬挂02 kN砝码。

55根索张力的变化过程曲线

7张拉完成l0对吊索时各吊索中的实际索力与计算值比较

    23模型试验结果

    515号、图6611号吊索在体系转换中索力的变化曲线。由图可见吊索张拉及锚固后索力变化的一个共同特点是:锚固时需要的力比较大,张拉锚固下一根索时对邻近已锚固索的力影响较大,特别是最初张拉的索;对于某一根索,只要在其后面再锚固一根索以后,索力的变化就不是很激烈了,随着后面张拉索的增多,索力逐渐增大,张拉吊索超过一半以后,除了锚固时需要较大的张力外,张拉下一根吊索后,已锚固索的索力变化比较小,基本接近一期恒载的最终值,这与文献的研究结论基本一致。

 

6 6—11号吊索索力变化过程曲线

8张拉完成22对吊索时各吊索中的实际索力与计算值比较

 

9张拉完成时各吊索中的测试索力与计算值

    根据计算的数据进行模型试验,试验中可测得各吊索在张拉锚固后的实际索力。图7~图9是张拉完10对、22对和全部吊索后,已张拉吊索中的索力实测与计算值的比较。

    从图7~图9的结果可见,由于各种因素的影响,吊索力在开始张拉的几个阶段,计算与实测比较接近,但随着张拉吊索的增多,特别是有临时支座脱空以后,吊索力计算值与测试值有差异,一次张拉锚固完成的吊索力分布均匀性稍差。

    10是主缆边跨与中跨位移测点试验过程中测量与计算的位移比较图。这两图显示在吊索张拉过程中,主缆的竖向位移测试与计算的结果在变化规律上相当一致,数值上非常接近,说明本项研究所建立的计算方法和结构体系转换吊索力控制方法是可靠的,可以在实际中使用。

 

10主缆竖向位移随吊索张拉过程的变化

    以上结果说明,总的来说,按无应力长度控制张拉吊索,理论计算与实际测试总的趋势是完全一致的,实际的吊索力和结构线形变化是一致的;由于误差的存在,无应力长度控制与张力控制总是会存在不能完全一致的情况,由于模型比例尺小,实测长度精度达不到实际工程同样精度,因此实际工程中的控制精度会比模型试验更高。

三、结构静力特性试验研究

    试验内容包括:结构上荷载分级加载试验、结构影响线(范围)试验和典型截面最不利加载试验。

    31分级加载试验

    为考查结构随着荷载的增加,结构变形、内力(应力)等与作用荷载的关系,检验结构的非线性程度,进行了一组分级加载试验。试验采用3个集中荷载分别作用于加劲梁上三个点。三个点的位置分别距桥塔中心755 m875 m995 m处,每个集中力的最大值为400 N,等分为8级施加,每级施加50 N  

    图1 1是各级荷载下加劲梁测点挠度与荷载的关系曲线,该图结果说明:结构的竖向变形与作用荷载基本上是线性关系,同时左右测点的挠度基本是一样的。卸载后结构恢复到初始状态,基本不存在残余变形。图12为各测试断面的应力测试值与加载分级的关系曲线,从这些测试的结果可见,测试与计算的规律性完全一致,数据上也相当接近。

    以上试验结果说明,对于自锚式悬索桥,在活载作用下,结构的内力及变形与外荷载的大小成线性关系变化,结构的非线性不明显。

 

11各级荷载下加劲梁测点挠度与荷载的关系

12  底板应力与荷载的关系

    3.2影响线(区间)加载试验

    从理论上说,对于几何非线性结构讨论影响线没有意义,但是将挠度理论引用到自锚式悬索桥中,推导出的解析解方程可以发现,自锚式悬索桥加劲梁内力及变形与外荷载的关系几乎就是线性的;另外,从工程应用角度考虑,桥梁设计多采用影响线或影响区间进行最不利加载,因此需要研究影响线的方法在自锚式悬索桥的内力与变形计算中能否使用的问题。    研究结构的影响线或影响区间,是研究结构的力学特性的重要手段。本次模型试验中,直接根据影响线的定义,采用沿跨度在各吊点施加集中力的方法来测试结构的影响线。作用于每个吊点的集中力为400 N,分别测试了各吊索、加劲梁竖向挠度、主缆竖向挠度、桥塔纵向位移、加劲梁典型截面应力等的影响线。根据测试影响线结果,可以更进一步地了解结构的力学特性。

    321  吊索力的影响线

    将集中荷载沿跨度依次作用于各吊点,每作用一次进行一次全面的测试,将测试结果依次排列起来,就得到所关心吊索的影响线。

    以吊索编号为纵坐标,绘出的几对吊索力的测试影响线与计算影响线对比如图13所示

 

 

13各吊索力测试与计算影响线

    从模型试验的数据可以得出以下几点结论:

    (1)对于平胜大桥,除两端的1号和27号吊索外,在竖向荷载作用下,各吊索力都是增大的,即在使用过程中,大部分吊索力不会小于恒载值;

    (2)试验值与按试验模型计算的值所反映的吊索力影响线趋势是完全一样的,数据上只在最大值点和靠近两端处有较小的差异,这说明计算模型能比较准确地反映结构的力学特性;

    (3)试验时作用于结构上的集中力为400 N,如果加劲梁很柔,作用集中力处的单根()吊索力最大值可达到200 N,实际测试最大值仅略大于20 N,这表明加劲梁通过剪力的传递,将作用于桥上的集中力分散到各吊索,因此这种结构对集中力的作用不敏感,集中力的分配效应比较明显;

    (4)测试的最大值大于计算值,这可能与试验时集中荷载直接作用于吊点处有关,实际结构上的荷载是通过加劲梁的横向传递到吊索上的,与计算模式更接近。

    322加劲梁竖向挠度的影响线

    加劲梁上典型测点的竖向挠度影响线如图l4所示。从图l4可见,平胜大桥结构主跨作用荷载时的变形以下挠为主,只有靠近两端处有较小的反挠度;测试与计算的挠度影响线变形趋势完全一致,数值上靠近两端误差要大一些。作用于节点的集中荷载是400 N,换算为实桥是作用1600 kN的集中荷载,模型结构的竖向挠度小于l0mm,换算为实桥是小于200mm。因此结构的刚度比较大;结构影响线曲线比较平缓,说明结构整体受力性能比较好,作用于加劲梁上的力通过加劲梁比较均匀地传给了吊索

 

14加劲梁各测点的挠度影响线

    32.3加劲梁典型截面应力的影响线

    15是主跨几个测试断面的应力影响线。应力影响线反映出模型结构除两端的测试断面外,其余位置截面应力受外荷载的影响趋势基本是一致的。从计算与测试的对比看,测试值普遍大于计算值,但相差不多;靠近两端部测试截面,计算值大于测试值,数值相差比较大,这说明模型加劲梁过渡段的应力可能受局部应力的影响较大。

l5各测试截面应力影响线

    结构内力与变形影响线的模型试验表明,结构变形、吊索力、主缆力等总体力素的影响区间是比较长的,特别是吊索力、加劲梁与主缆跨中的挠度,最不利加载区间几乎是全跨;对于加劲梁的弯矩,则是短段荷载的影响很大,这些力学特性又与地锚式悬索桥有相同之处。根据这些特点可以看出,自锚式悬索桥的结构变形和结构内力方面与地锚式悬索桥有许多相同之处,不同处在于自锚式悬索桥在活载作用下非线性特点不明显,只要能正确地模拟结构的恒载状态,不考虑几何非线性进行计算,结果也能满足设计精度要求。

    33加劲梁上典型测试截面最不利弯矩加载试验

    对于测试了影响线的典型截面对应的各种力素,试验中进行了最不利的加载试验,限于篇幅本文仅列出截面6-6最不利的弯矩加载试验结果。

    根据影响线试验结果,确定该截面最大、最小弯矩的加载区间。然后将试验荷载分为三级施加于模型结构上,测试加载后结构的内力与变形。以下列出最大弯矩的加载试验与计算结果。

    331结构变形试验结果

    加劲梁和主缆各测点在分级荷载下的竖向位移测试与计算的比较如图16~图l7所示

16加劲梁竖向挠度测试与计算比较

17主缆竖向挠度测试与计算比较

    332  吊索力

    试验荷载下各吊索测试拉力增量及完成状态测试与计算结果的对比见图l8

18吊索力的测量值与计算值

    3.3.3加劲梁应力试验结果

    第三级加载后加劲梁截面顶底板应力测量值与计算值的对比如图19所示。

 

19加劲梁上测试应力与计算应力比较

    以上试验与计算的对比结果说明,对于所研究的结构,在各截面最不利加载情况下,试验与计算的结果比较一致,两者所反映的变化规律是相同的。图19中测试截面9靠近锚固过渡段,测试结果可能受局部应力影响比较大,因此与计算结果有一定的差异。

四、结

    本文介绍了佛山平胜大桥大比例尺的自锚式悬索桥全桥模型的设计、制作和模型试验情况,利用试验模型对自锚式悬索桥结构的体系转换过程和静力特性进行了深入的研究。通过模型设计、理论分析和模型试验的测试比较,可以得到关于自锚式悬索桥结构体系转换方法和静力特性的几点结论:

    (1)自锚式悬索桥试验模型设计时需要比较严格地满足加劲梁轴向刚度与主缆轴向力相似的准则;

    (2)自锚式悬索桥在体系转换过程中,采用无应力长度控制法确定吊索张拉力或吊索安装状态,无论施工过程如何,理论上最终都能实现要求的设计状态。该方法对于吊索力的计算特别方便,可用于设计和优化吊索的安装过程,以提高工作效率、缩短施工工期、减少施工费用。

    (3)在模型结构上的分级加载试验证明,自锚式悬索桥结构的内力和变形与外加荷载几乎是完全线性的关系,这与采用挠度理论推导的基本微分方程所给出的结论是一致的,因此对于自锚式悬索桥,只要能正确地模拟结构的恒载状态,在活载作用下,迭加原理是可以应用的。

    (4)结构内力与变形影响线的模型试验表明,自锚式悬索桥在结构变形和结构内力方面与地锚式悬索桥有许多相同之处,不同处在于自锚式悬索桥在活载作用下非线性特点不明显,只要能正确地模拟结构的恒载状态,不考虑几何非线性进行计算,结果也能满足设计精度要求。

    (5)几个典型截面的最不利弯矩加载试验结果表明,结构变形和内力的测试结果与计算结果变化规律上完全一致,数值上比较接近,特别是结构的变形,测试与计算的数值差异在10%以内。

    (6)根据静力特性试验研究的结果可以看出,现在所用的计算方法和计算程序能准确地反映结构的静力学特性。

    (7)试验发现,散索鞍、锚跨支座等的摩擦力过大,将影响主缆的传力和加劲梁的自由伸缩,在施工时需要给予注意。

参考文献

[1]刘自明.桥梁结构模型试验研究[J]桥梁建设,1999(4)  1—12

[2]李亚非,颜东煌,田仲初.大型三塔斜拉桥铝合金试验模型  的研制[J].长沙交通学院学报,200016(3)37—41

[3]沈锐利.悬索桥主缆系统设计及架设计算方法研究[J]土木工程学报,l99629(2)2-9 [4]唐茂林.大跨度悬索桥空间几何非线性分析与软件开发[D].成都:西南交通大学,2003 [5]张哲.混凝土自锚式悬索桥[M].北京:人民交通出版社, 2005

[6]王志诚.自锚式悬索桥静动力特性挠度理论研究[D].西南交通大学,2006

(本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:吕琳琳  尹维维 编辑   文径 审核)

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