大跨度拱形钢塔斜拉桥模型试验研究

曹一山，徐　强, 李克冰

(1.交通运输部公路科学研究所，北京　100088；2.北京交通大学　土木建筑工程学院，北京　100044)



大跨度拱形钢塔斜拉桥模型试验研究

曹一山1，徐强1, 李克冰2

(1.交通运输部公路科学研究所，北京100088；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

摘要：为了对大跨度拱形钢塔斜拉桥的力学行为特性进行分析和试验验证，以之江大桥为工程背景对此类结构进行了模型试验研究。首先介绍了试验模型的设计，并通过试验模型的有限元模拟，证明了试验模型能很好地反映实际结构的受力性能。最后对组装成桥的试验模型，进行了4个工况的加载试验，并以中跨跨中最大弯矩的工况为例对主塔应力和主梁变形的试验结果进行了分析，分析结果表明实测数据与实桥计算结果折算值较为接近，实际结构有较大的安全储备。

关键词：桥梁工程；钢拱塔斜拉桥; 模型试验；受力特性；弯矩

0引言

随着桥梁技术的发展，人们对桥梁美观的要求进一步提高，不断追求斜拉桥形式上的突破以及与周围环境的和谐融合。拱塔斜拉桥作为一种新型的斜拉桥桥型，以其美观的造型、新颖的构思，应运而生。最早的拱形索塔斜拉桥(1997年)出现在人行天桥上，即日本美秀美术馆人行桥，桥塔形式为斜钢箱抛物线形索塔。据不完全统计，截止到2012年底，国内外已建或在建的拱塔斜拉桥已有20座[1-3]。同时需要指出的是，拱塔斜拉桥受力复杂，拱塔在斜拉索的作用下，会产生较大的水平推力，需采取措施平衡这种水平力，从而导致截面形式及斜拉索锚固形式成为设计的难点，因此有必要对一些主要的技术问题以及结构的主要力学性能进行针对性的试验研究，以校核设计的合理性，为原桥结构的施工提供一定的理论指导，确保结构的安全可靠。

1工程概况

之江大桥是杭新景高速公路延伸线跨越钱塘江的一座特大型公路桥梁，主桥设计为(116+246+116)m三跨空间双索面拱形钢塔斜拉桥，采用半漂浮体系结构。主桥索塔为拱形钢结构，塔高90.5 m，中轴线采用椭圆曲线，长半轴长为73.95 m，短半轴长22.2 m；塔柱横向宽3.6 m，纵向由上至下均呈线性变化；塔顶处宽4.0 m，塔柱底宽6.0 m；断面采用单箱三室形式，钢塔柱底设置钢塔柱与承台及塔座连接的钢混连接段。主桥主梁为流线形钢箱，单箱多室，两侧边室为风嘴兼人行道，梁高3.5 m(箱外尺寸)，全宽41.36 m(含风嘴)，顶板厚16 mm。主梁以及索塔主体结构均采用Q345D钢材，拉索采用抗疲劳性能较好的环氧涂层防护的钢绞线斜拉索，之江大桥主桥总体布置如图1所示[4-6]。

图1　之江大桥桥型总体布置图(单位：cm)Fig.1　Layout of Zhijiang bridge (unit: cm)

2试验模型的设计

2.1模型相似准则

静力试验模型与原型的相似需满足3个方面的要求[2]：

(1)几何相似：对于三向应力状态下的结构模型，各方向的几何尺寸应保持相似；对于二向应力状态的结构模型，只需平面几何尺寸保持几何相似，厚度就不一定要求相似。

(2)物理参数相似：模型与原型荷载性质、大小等都需满足相似要求，方向则必须相同。

(3)边界条件相似：模型与原型支撑条件、支撑位置等均应保持相同或相似。

本文模型为组合体系，主梁采用铝合金材料，斜拉索为高强弹簧钢丝，实桥主梁为钢材，斜拉索为高强钢绞线，使得弹性模量作为单独的物理量不合理，因此采用刚度近似法确定相关模型的尺寸，并把EA,EI,EW作为复合物理量来确定相似关系[7-10]。

1.2模型总体设计

结合实验室的场地情况和研究经费等因素确定模型的几何缩尺比为1∶33，由此确定模型总体尺寸如下：(1)桥跨布置：3.537+7.500+3.537=14.574 m;(2)主塔高：2.759 m;(3)塔脚间距：1.326 m。

模型总体布置如图2所示。

模型试验的组装和加载试验全过程在旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室(北京)进行，试验模型的现场情况，如图3所示。

图3　试验模型的现场照片Fig.3　Photo of field test model

2.3试验模拟工况

使用阶段模型活载以实桥设计荷载为原型，进行加载相似计算。将实桥公路I级荷载按车道数进行折减换算，再将车道荷载按模型荷载相似关系换算为模型理论加载值。实施模型试验时，为模拟实桥在最不利受力状况下的变形情况与内力变化情况，根据影响线加载方式[11]，选取4个最不利移动荷载工况确定为静力荷载工况，如下所述：(1)主跨跨中弯矩最大；(2)主跨1/4弯矩最大；(3)边跨跨中弯矩最大；(4)塔顶水平位移最大。

3试验模型的理论计算

利用有限元分析软件MIDAS CIVIL建立了试验模型的有限元分析模型，如图4所示。试验模型的成桥索力，与实桥设计成桥索力按相似比折算的索力对比情况，如图5所示，从图中看出两者误差很小，可以证明试验模型的设计合理，即试验模型可以很好地模拟实桥的受力情况[12]。

图4　试验模型的有限元模型Fig.4　Finite element model of test model

图5　模型成桥索力对比图Fig.5　Comparison chart of cable forces of bridge model

4试验结果分析

由于篇幅的限制，以工况1(中跨跨中弯矩最大)为例，对试验结果进行了分析。

4.1索力对比情况

图6　索力实测值与理论值对比情况Fig.6　Comparison of measured value and theoretical value

模型主跨索力与边跨索力对比情况如图6所示，从图中可以看出：中跨索力实测值1 693～2 794 N，边跨索力实测值1 260～2 736 N，接近且略低于模型计算值和设计换算值。

4.2应力对比情况

主塔应力实测值与计算值对应的对比情况如图7所示，从图中可以看出：主塔塔顶应力实测值为0.6～1.3 MPa，主塔塔底应力实测值为4～18 MPa，实测值和理论值比较接近，且实测值小于理论计算值，理论计算是偏安全的。

图7　应力实测值与理论值对比情况Fig.7　Comparison of measured value and theoretical value of pylon bottom stress

4.3主梁位移对比情况

主梁竖向位移实测值与计算值对应的对比情况如图8所示，从图中可以看出：主梁位移理论计算值与实测值分布规律一致，且以中跨跨中向两边跨呈对称分布，对称位置主梁位移基本相同，中跨跨中位移最大，理论计算值与实测值较为一致，实测位移最大值为3.86 mm。

图8　主梁竖向位移对比情况Fig.8　Comparison of vertical displacements of main girder

5结论

本文以之江大桥为工程背景，对拱形钢塔斜拉桥的结构性能进行了模型试验研究。得到的主要结论有：

(1)对于复杂的组合体系桥梁结构，可以采用刚度近似法确定试验模型尺寸，并把EA、EI、EW作为复合物理量来确定相似关系，经过与理论计算的结果进行比较，证明设计得到的试验模型能很好地反映实际结构的受力状态。

(2)索力实测值1 693～2 794 N，边跨索力实测值1 260～2 736 N，略低于模型计算值和设计换算值，拉索应力有较大的安全储备。

(3)塔塔顶应力实测值为0.6～1.3 MPa，主塔塔底应力实测值为4～18 MPa，实测值和理论值较为一致，且实测值均小于理论计算值，理论计算是偏安全的。

(4)主梁位移理论计算值与实测值分布规律一致，结构有良好的刚度。

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Experimental Study on Model of Long-span Cable-stayed Bridge with Arch-shaped Steel Pylon

CAO Yi-shan1，XU Qiang1，LI Ke-bing2

(1.Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088,China；2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China)

Abstract：In order to analyse and experimental verify the mechanical behavior characteristics of long-span cable-stayed bridge with arch-shaped steel pylon, taking Zhijiang river bridge as the engineering background, the model of this kind of structure is experimental researched. First, the design of the test model is introduced, then it is proved that the test model can well reflect the mechanical performance of actual structure by finite element simulation of the test model. Finally, the loading test on the test model of the assembled bridge under 4 conditions. Taking the condition of maximum bending moment of mid-span of central span for example, the test result of main pylon stress and main girder deformation are analysed. The result shows that the measured data are closer to the converted values of the real bridge calculation, and the actual structure has higher safety reservation.

Key words：bridge engineering; cable-stayed bridge with arch-shaped steel pylon; model test; mechanical characteristic；bending moment

收稿日期：2015-03-03

基金项目：中央级公益性科研所基本科研业务费专项资金项目(2015-9020)；浙江省交通运输厅科技计划项目(2011H17)

作者简介：曹一山(1979-)，男，河北丰宁人，博士.(cao_ysh@126.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.05.012

中图分类号：U448

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)05-0073-05