大跨径钢箱梁斜拉桥静载试验研究

2014-08-06张武毅汤建林

浙江交通职业技术学院学报 2014年2期

张武毅，汤建林

（浙江交科工程检测有限公司，杭州 311215）

0 引言

过去数十年，国内外研究者结合静载试验和理论分析，对大跨径钢箱梁斜拉桥的力学性能和工作状态等方面开展了大量研究工作。随着跨径增大，斜拉桥力学行为变得愈加复杂，如何准确地了解其在服役荷载作用下的力学性能与工作状态，用以评价斜拉桥整体安全性并进行结构优化设计，是国内外超大跨桥梁工程研究的重点问题之一[1－2]。赵大亮等人依据润扬大桥试验及理论分析结果，总结了扁平钢箱梁的受力特点，概括出超大跨径桥梁空间及局部受力精确分析的方法[3]。笔者通过象山港大桥斜拉桥静载试验和理论分析，重点探讨大桥的刚度、强度和整体性能，如结构总体变形状况、活载静力效应、钢箱梁应力分布规律、斜拉索恒载索力、钢箱梁U肋的应力状况等。

1 工程概况

象山港大桥主桥为双塔双索面五跨连续钢箱梁斜拉桥，跨径布置为（82＋262＋688＋262＋82）m，半漂浮体系。主梁为扁平流线形封闭钢箱梁，梁宽34m，梁高3.5m （桥梁中心线处轮廓），其顶板为桥面板，采用正交异性板结构；顶、底板设置6～8cm厚U型加劲肋。索塔采用钻石形混凝土索塔，下、中塔柱为普通钢筋混凝土结构、上塔柱、上中塔柱结合段、横梁为预应力混凝土结构，锚固型式为钢锚箱，塔高225.5m。斜拉索采用1 670MPa高强度平行钢丝束，梁上标准索距15 m，全桥共4×22×2＝176根斜拉索，最长376 m。桥梁总体布置图见图1。

图1 象山港大桥主桥总体布置图

2 结构有限元分析

为了与静载试验结果进行比较，并对桥梁静力性能进行评估，采用桥梁空间分析程序 Midas／Civil对该桥主桥建立有限元空间模型，如图2所示。扁平钢箱梁顶板、底板、实腹式纵隔板、腹板以及横隔板采用壳单元，斜拉索采用空间杆单元，主塔和桁架式纵隔板采用空间梁单元。主梁的顶板和底板及其纵向加劲肋等效为正交异性板，并与横隔板、腹板、风嘴以及纵隔板等组成空间箱形结构分析模型，此模型能较为准确地模拟主梁的截面特性和质量分布特性[3]。

图2 主桥空间分析计算模型图

3 静载试验概况

本次静载试验选取了8个测试断面，采用44辆单车重30t的三轴加载车，共分16个工况进行了加载试验，测试断面位置见图3。

3.1 应力测点布置

钢箱梁的应力测点布置在S1～S5断面的钢箱的底板、腹板、顶板和U型肋上，测量纵向应力；索塔的应力测点布置在S6断面的塔柱顺桥向的两侧面上，测量竖向应力；应力测点布置见图3。

图3 钢箱梁应力测点布置图

3.2 挠度测点布置

钢箱梁挠度及纵向位移测点见图4，全桥共计24个测点；塔顶位移测点布置于73＃和74＃墩索塔的塔顶中心线位置，全桥共计2个测点。

图4 钢箱梁挠度测点布置图

4 静载试验结果分析

4.1 结构总体变形

中跨（688m）跨中截面在中载的作用下，钢箱梁上、下游最大挠度分别为0.801m和0.796 m，表明大桥整体刚度及对称性良好；在偏载作用下，钢箱梁上、下游最大挠度分别为0.678m和0.534m，表明钢箱梁扭转效应明显。钢箱梁竖向挠度实测值与理论值较接近，中、偏载的比值在0.95～0.99之间，表明结构有限元分析模型合理，能准确把握斜拉桥结构整体变形。图5为S5截面在中载作用下钢箱梁竖向挠度实测值与理论值比对结果。

梁端上下游顺桥向变形较协调，两端较对称，宁波侧和象山侧顺桥向最大位移分别为0.075m和0.081m；两侧主塔塔顶位移较对称，宁波侧和象山侧塔顶最大位移分别为0.202m和0.208m。

由图6可知，中跨、次边跨、边跨钢箱梁竖向位移和塔顶水平位移增量与试验荷载增量呈线性规律变化，表明在试验荷载作用下，大桥处于线弹性工作状态。

图5 典型加载工况下钢箱梁竖向挠度实测值与理论值比对结果（S5截面）

图6 象山港大桥结构位移增量与试验荷载增量相关关系图

4.2 钢箱梁横截面应力分布规律

（1）顶、底板应力横向分布规律

在试验荷载作用下，S3、S4和S5截面钢箱梁顶、底板应力沿梁宽方向的横向分布如图7（a～f）所示。分析顶、底板应力的横向变化规律可知，顶、底板应力沿横截面呈不均匀分布，顶板最大应力基本位于加载车辆车轮直接作用部位，这是因为顶板的作用相当于单向板，荷载主要沿桥面纵向传递，而且应力尖角仅限于U肋之间并很快由轮廓向两侧衰减，因此造成了顶板在车轮部位的应力集中现象。

（2）顶板U肋应力横向分布规律

在试验荷载作用下，S2和S5截面钢箱梁顶板U肋应力沿梁宽方向的横向分布如图8（a～b）所示。分析顶板U肋应力的横向变化规律可知，U肋在车轮作用下反应明显的局部应力效应——在车轮作用位置的U肋应力明显大于相邻无直接荷载作用的U肋。

图7 钢箱梁顶、底板应力横向分布图

图8 钢箱梁顶板U肋应力横向分布图

5 恒载斜拉索索力分析

恒载作用下斜拉索索力的实际状况与设计值的符合程度是衡量结构内力状态是否符合设计要求、体现施工水平的一个重要指标。对于斜拉索的柔性吊杆，采用环境随机振动法对索力进行了测试，实测结果见图9。由图可知，全桥斜拉索的索力实测值与设计值相对误差在±5%以内的占55.9%，在±5%～±10%之间的占41.7%，大于±10%～±15%之间的占2.5%，由此说明该桥实际吊杆力与设计吊杆力吻合良好。