超大跨徑自錨式懸索橋全橋模型試驗測試方法研究
2018-05-21
近年來，國內(nèi)外修建了一些自錨式懸索橋并進行了相關(guān)的模型試驗研究，獲得了不少有益成果，但是多針對跨徑不大的自錨式懸索橋，而對于大跨徑的自錨式懸索橋的模型試驗研究則比較少。
目前，正在建設(shè)的桃花峪黃河大橋結(jié)構(gòu)新穎、體系復雜，其具有主橋跨徑大（主跨406m，在同類型橋梁中世界第一）、橋面寬（箱梁寬度達39m）、設(shè)計荷載等級高（是國內(nèi)公路橋梁最大標準荷載的1.3倍）等特點，且國內(nèi)外對于此類橋梁無論在設(shè)計還是在施工方面均無十分成熟的經(jīng)驗可以借鑒，因此對這種超大跨徑、寬橋面、高設(shè)計荷載的超大跨徑自錨式懸索橋進行全橋模型試驗測試方法研究是十分必要的。
1依托項目介紹
桃花峪黃河大橋主橋為雙塔三跨自錨式懸索橋，主纜孔跨布置為160m+406m+160m，中跨矢跨比1/5.8。主梁采用整體鋼箱梁斷面形式，全長為737.43m（包括主纜錨固段）。主橋橫向設(shè)置2%橫坡，橋面系寬33m（不含布索區(qū)）。工程設(shè)計按雙向六車道高速公路建設(shè)，設(shè)計速度100km/h，設(shè)計荷載等級為公路－Ⅰ級×1.3，其橋梁效果見圖如1。
圖1桃花峪黃河大橋效果圖
2全橋模型試驗簡介
桃花峪黃河大橋全橋模型試驗為了得到比較理想的試驗數(shù)據(jù)，在綜合考慮試驗內(nèi)容、模型材料、制作精度及試驗場地基礎(chǔ)上，選定全橋模型的幾何縮尺比為1/30。模型各部分（除橋塔外）均采用相應(yīng)與原型相同彈性模量和泊松比的材料，原橋塔柱材質(zhì)為鋼筋混凝土，模型橋塔采用鋼結(jié)構(gòu)。在模型試驗時，為彌補材料容重不足所產(chǎn)生的影響，采用了恒載補償?shù)霓k法，在綜合考慮了模型承載能力與試驗條件等因素的情況下，選定力的縮尺比為1/1。桃花峪黃河大橋全橋模型試驗效果見圖2。
圖1桃花峪黃河大橋全橋模型試驗效果圖
根據(jù)選定的縮尺比可以得到模型的總長為24.2m，寬度為1.3m，北索塔總高為4.52m，南索塔總高為4.6m，主纜橫向間距為1.2m，吊索縱向基本間距為0.45m。
3全橋模型試驗張拉方法設(shè)計
3.1主纜張拉方法設(shè)計
為了準確地控制主纜的線形，對主纜進行了預(yù)張拉，消除可能存在的非彈性變形和不平度，再將主纜放在地面上，用油漆分別對左錨固端點、右錨固端點、左主塔頂中點、右主塔頂中點和跨中中點進行標記，然后將主纜架設(shè)到主塔上，用手動葫蘆調(diào)整主纜以達到模型設(shè)計線形。主纜標記見圖3，錨固端主纜固定見圖4。
圖3 主纜標記
圖4 錨固端主纜固定
3.2 吊索張拉方法設(shè)計
為了準確地控制吊索的錨固力，對不同位置的吊索采用了不同的張拉工具和張拉方法。對中跨靠近主塔張拉力較小的吊索和邊跨的吊索，在吊索張拉時，先在螺桿上懸掛與張拉力相等重量的鐵塊，然后擰動螺母錨固，錨固后去掉鐵塊，再調(diào)整螺母，達到吊索張拉要求；對中跨張拉力較大的吊索，在吊索張拉時，人工在螺桿上懸掛相等重量的鐵塊是非常困難的，先在吊索最下方安裝一個反力架且用多個螺母固定，然后再用水平尺將反力架調(diào)平，在反力架上面放置千斤頂并在千斤頂上安裝測力傳感器，通過理論計算值頂升主梁，擰動螺母錨固，錨固后去掉鐵塊，再擰緊或放松錨固螺母，達到吊索張拉要求。吊索張拉錨固見圖5。
圖5 吊索張拉錨固示意圖
4 全橋模型試驗測試系統(tǒng)設(shè)計
4.1 力的測試系統(tǒng)設(shè)計
① 主纜內(nèi)力測試系統(tǒng)設(shè)計
在主纜完成預(yù)張拉并用油漆標記點后，在主纜兩端的錨固點安裝主纜內(nèi)力計測器。主纜內(nèi)力計測器主要由壓力環(huán)（量程0-15T）、壓力傳感器和手持式應(yīng)變測試儀三部分構(gòu)成（主纜內(nèi)力計測器見圖6）。在主纜架設(shè)完成后，進行施工階段模擬時，測量不同施工階段的主纜應(yīng)變讀數(shù)，通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系將應(yīng)變換算成主纜應(yīng)力，再通過內(nèi)力-應(yīng)力關(guān)系將讀數(shù)換算成主纜內(nèi)力。
圖6 主纜內(nèi)力計測器
?、?吊索索力測試系統(tǒng)設(shè)計
對于自錨式懸索橋全橋模型試驗吊索索力的測試，傳統(tǒng)的測力裝置是貼應(yīng)變片，但是由于試驗吊索一般較細，且具有較大的柔性，細索表面又為曲面，所以貼應(yīng)變片的方法很難發(fā)揮作用。而且目前針對索力測試的頻率法又主要是用于原型結(jié)構(gòu)的測試，還沒有專門針對試驗的吊索索力測試系統(tǒng)，故在此基礎(chǔ)上基于三點加載法自主開發(fā)了吊索索力測試系統(tǒng)（見圖7）。
圖7 基于三點懸測法的索力計測器
基于三點加載法的吊索索力測試系統(tǒng)工作原理是：索結(jié)構(gòu)只能承受拉力不能承受壓力，在軸向力作用下產(chǎn)生應(yīng)力鋼化效應(yīng)，使柔索具有橫向剛度，能夠承受一定的橫向荷載。
?、?主梁應(yīng)力測試系統(tǒng)設(shè)計
為了測試在施工過程中主梁的受力情況，在主梁上設(shè)計了應(yīng)變測試系統(tǒng)。主梁上的應(yīng)變測試系統(tǒng)由應(yīng)變片、靜態(tài)電阻式應(yīng)變儀和靜態(tài)應(yīng)變測試儀三部分構(gòu)成（主梁應(yīng)變計測器見圖8）。
圖8 主梁上應(yīng)變計測器
4.2 位移（變形）測試系統(tǒng)設(shè)計
?、?主纜位移測試系統(tǒng)設(shè)計
主纜位移的測量儀器選用Nikon DTM-452C全站儀，在施工模擬時，逐一對目標觀測棱鏡進行測量。在主纜觀測點上焊裝24個反光棱鏡（反光棱鏡的中心和觀測點主纜中心一致）。
?、?主梁位移測試系統(tǒng)設(shè)計
為了測試在施工中主梁的撓度變化，在主梁上設(shè)計了位移測試系統(tǒng)。主梁位移測試系統(tǒng)主要由槽鋼、CZ-6A磁性表座、電測千分表和壓力傳感器（量程0-1T）四部分構(gòu)成。首先將槽鋼用細鐵絲固定在輔助墩上，然后將磁性表座固定在槽鋼上，將千分表反向壓在主梁底板上，再將千分表上接上壓力傳感器，最后將傳感器接線串聯(lián)到電腦上測試。主梁撓度計測器見圖9。
圖9 主梁撓度計測器
?、?索塔偏位和索鞍頂推測試系統(tǒng)設(shè)計
索塔的偏位和索鞍頂推測試是通過在索塔和索鞍上掛鉛垂，用鋼尺量測量索塔偏位和索鞍頂推數(shù)據(jù)。索塔和索鞍測試工具見圖10。
圖10 索塔和索鞍測試工具
試驗室所有張拉和測試系統(tǒng)及工具見表1。
表1 實驗測試工具匯總表
5 結(jié)論
筆者在相似理論的基礎(chǔ)上，通過對桃花峪黃河大橋主橋這類超大跨徑自錨式懸索橋的全橋模型試驗主纜張拉方法設(shè)計和吊索張拉方法設(shè)計進行了介紹，并敘述了力的測試系統(tǒng)設(shè)計和位移（變形）測試系統(tǒng)設(shè)計，以便為今后同類橋梁的設(shè)計提供借鑒和依據(jù)。
參考文獻：
[1]張俊平，黃海云，劉愛榮，梅力彪，李永河.空間纜索自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換過程中受力行為的全橋模型試驗研究[J].土木工程學報,2011(2):108～115.
[2]柯紅軍，李傳習，劉建. 平勝大橋自錨式懸索橋靜載試驗與評價[J].公路交通科技,2009(2):53～60.
[3]王會利,秦泗鳳,譚巖斌，張哲，杜高明.自錨式斜拉—懸索協(xié)作橋模型試驗研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版）,2009(1):57～59.
[4]張哲,張洪金,邱文亮.混凝土自錨式懸索橋模型試驗研究[J]. 大連理工大學學報,2005(7):575～579.
[5]房貞政,陳永,陳超.三塔自錨式懸索橋模型試驗研究[J].福州大學學報（自然科學版）,2011(8):1～7.
