湟水河自锚式悬索桥静载试验研究

路 韡，李子奇，顾皓玮

（1.西北民族大学 土木工程学院，甘肃兰州 730124；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃兰州 730070）

0 引言

由于自锚式悬索桥主缆直接锚固在加劲梁的两端，主缆的水平分力由加劲梁承担，使结构受力较地锚式悬索桥更加复杂，加之先梁后缆的施工顺序，结构需要进行多次体系转换，增加了桥梁设计和施工的难度。基于上述原因，自锚式悬索桥的成桥状态和工程质量成为设计和运管部门关注的焦点，而静载试验是验证设计的重要方法，是评定工程质量的主要依据，也是维护管理的关键数据[1-3]。

本文以湟水河自锚式悬索桥为背景，首先通过对现场各参数的实际量测，建立了符合实际状态有限元模型，然后对实桥的静载试验进行了介绍，最后对模型计算结果和静载试验结果进行分析，得出了具有实用性的结论，为自锚式悬索桥进一步的研究、设计、施工和运营管理提供参考。

1 工程概况

湟水河自锚式悬索桥采用（24+65+158+65+24）m的桥跨形式，桥宽27.5 m，主缆成桥线型为多段悬链线，主跨矢跨比为1/6，全桥共设两根主缆，每根由37根索股组成，横向间距为19 m；吊杆采用铅垂布置，标准段间距为6 m，索塔两侧为7 m，每个吊点设一根吊杆；主梁为单箱三室混凝土鱼腹式梁，采用C50混凝土，梁高2.2 m；采用塔梁分离体系，主塔穿过主梁，塔顶设置框型横梁结构，塔顶下横梁为预应力混凝土结构，塔顶上横梁为钢结构。桥梁的总体布置形式见图1所示。

图1 湟水河自锚式悬索桥总体布置及吊杆编号示意图（单位：m）

2 分析理论

对自锚式悬索桥进行有限元分析应首先确定其初始平衡状态。初始平衡状态为结构成桥后在自重作用下主缆与加劲梁平衡的状态，在该状态下应赋予主缆与吊杆合理的初始内力用以平衡加劲梁自重，初始平衡状态是进行运营阶段线性和非线性分析的前提。对于初始平衡状态的计算方法沈锐利[4]提出了采用多段悬链线来精确计算悬索桥空缆和成桥状态内力、线形和长度的解析算法，但无法全面考虑自锚式悬索桥系统受力状态；Kim[5]建立三维弹性悬链线单元，利用节点间力的平衡关系，假设主缆水平方向的分力为定值，迭代求解主缆的坐标及内力，但计算结果是悬索桥理想状态下的平衡关系，即各吊杆均匀的承担梁段自重，索鞍两侧水平力相等，桥塔没有纵向变形。而结构施工完毕后，各吊杆力值与设计值不尽相同，桥塔顶部索鞍两侧的水平分力并不相同。本文根据对现场各参数的实际量测，采用文献[4]中介绍的方法，修正了索鞍顶部不平衡水平力，得到了空缆线形的解析解，又通过简化的正装分析过程，建立了符合实际状态的有限元模型。

3 有限元建模

3.1 初始模型（见图2）

根据设计资料建立自锚式悬索桥初始模型，全桥共16 443个节点，17 118个单元，其中桥塔、加劲梁采用空间梁单元模拟，主缆和吊索采用只受拉的桁架单元模拟，塔梁连接采用主从关系模拟并将其相同的自由度进行耦合，锚固区主梁和主缆采用刚臂连接，现浇临时支架采用只受压弹簧模拟。

图2 湟水河自锚式悬索桥有限元模型

3.2 修正模型

3.2.1 实测数据

对1#、5#、8#、10#、13#、16#、19#、22#、25#、28#、31#、34#、36#、39#、43#上下游吊杆布置穿心式索力仪，测试吊杆力值，其吊杆编号详见图1所示。对没有布置索力仪的吊杆，采用人工激振法测试吊杆力值。

对南北上下游桥塔进行极坐标四测回观测，测定塔顶控制点纵向变形为南塔上、下游分别预偏28 mm、31 mm；北塔上、下游分别预偏21 mm、23 mm。

对主缆、吊杆采用生产厂家提供的抽检数据；主梁采用现场钻芯取样后的测试数据。其主缆、吊杆弹性模量为(2.05±0.05)×105MPa，主梁弹性模量为3.49×104MPa。

3.2.2 简化正装分析

通过以上实测数据，采用解析算法得到结构的空缆状态，通过赋予主缆单元初始内力建立有限元空缆状态模型。结构吊杆安装顺序为由桥塔向两岸及跨中对称一轮张拉。

4 静力特性分析

4.1 静载试验工况

湟水河自锚式悬索桥设计荷载为城市-A级，双向4车道，两侧布置人行道。在静载试验中，选取锚跨跨中、边跨跨中、梁塔结合部、1/4主跨、1/2主跨和桥塔底部截面为控制截面，使用三轴重车等代设计荷载。全桥静载试验共9个工况，其加载位置、加载效率、试验目的见表1所列。

由于篇幅所限，仅列出工况8布载状况，该工况采用6辆400 kN三轴重车，试验等效弯矩值19 252 kN·m，布载情况见图3所示。

4.2 测点布置

根据现场条件，采用静态电阻应变测量控制截面的应变；使用全站仪进行四测回的三角高程测量测试主缆、加劲梁变形的挠度；使用全站仪进行极坐标四测回观测测试桥塔纵向偏位；采用穿心式索力仪和人工激振法测试吊杆的振动频率，以获取吊杆力的变化情况。

4.3 理论分析与试验结果对比

4.3.1 变形

表2列出了主梁、主缆和桥塔在工况8荷载作用下挠度（偏位）的实测值与理论值。由表2中的数据可知控制截面的试验实测值均小于理论计算值，校验系数均小于1.0，加劲梁跨中最大实测挠度为56.8 mm，小于L/600，桥塔最大水平偏位8.1 mm，说明结构整体刚度满足城-A的设计要求，在试验前和试验过程中均未发现裂缝。

4.3.2 应力

表3列出了主梁和桥塔在工况8荷载作用下应力的实测值与理论值。由表3中的数据可知控制截面的试验实测值均小于理论计算值，校验系数均小于1.0，加劲梁跨中下缘最大应力值为1.71 MPa，下游侧南塔受拉侧应力为1.0 MPa，说明结构整体受力情况良好，加劲梁和桥塔截面强度满足设计要求。

表1 静载试验工况一览表

图3 工况8荷载布置图（单位：m）

表2 工况8挠度（偏位）实测值与理论值对比一览表

表3 工况8应力的实测值与理论值对比一览表

4.3.3 吊杆力

表4列出了19#～25#吊杆在工况8荷载作用下吊杆力增量的实测值与理论值，计算得出的吊杆力增量与实测基本一致，在活载作用下各吊杆力分配均匀。

4.4 结果分析

静载试验结果与理论计算值基本一致，表明湟水河自锚式悬索桥的强度、刚度达到了设计的要求，在设计活载作用下，结构处于弹性受力状态，各吊杆力值均匀；修正的有限元模型很好地反映了实际桥梁的受力特性。

表4 工况8吊杆力增量实测值与理论值对比一览表（单位：kN）

5 结论

（1）通过成桥后实测吊杆力、桥塔纵向变形和材料特性等参数，编制在塔偏状态下计算空缆线形的解析程序，并以此建立空缆状态下的有限元模型，按简化的正装分析过程调整吊杆安装力值，得到符合实际状态的修正有限元模型。

（2）静载试验结果表明，湟水河自锚式悬索桥的刚度和强度均满足规范要求，本文分析方法与试验结论对该桥的长期运营管理具有工程实际意义，对同类桥型设计与施工具有参考价值。

[1] Ochsendorf A,Billington P.Self-anchored Suspension Bridges[J].Journal of Bridge Engineering,1999,4(3):151-156.

[2] 周绪红,武隽,狄谨.大跨径自锚式悬索桥受力分析[J].土木工程学报,2006,39(2):42-45.

[3] 柯红军,李传习,刘建.平胜大桥自锚式悬索桥静载试验与评价[J],公路交通科技.2009,(02):53-59.

[4] 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,1996,(02):3-9.

[5] Kim H.K.,Lee M.J.,Chang S.P.Non-linear shape-finding of a self-anchored suspension bridge[J].Engineering Structures,2002,(24):1547-1559.