混合梁斜拉桥塔梁墩固结区受力性能试验研究

2018-03-08王亚飞

交通科技 2018年1期

俞英王亚飞

(1.福州东南绕城高速公路有限公司福州 350000； 2.中铁大桥科学研究院有限公司武汉 430000)

1 工程概况

长门特大桥为(35 m+44 m+66 m)+550 m+(66 m+44 m+35 m)双塔双索面混合梁斜拉桥,是福州绕城高速公路东南段工程项目中重要的控制性工程。主桥全长848 m，边跨采用混凝土箱梁，中跨采用钢箱梁，钢箱梁与混凝土箱梁分界线距索塔中心线24 m。

长门特大桥采用的单箱四室塔梁墩固结体系，目前在国内未见报道。塔梁墩固结区域受力复杂[1-2]，进行设计施工时，不仅要考虑由桥塔传来的巨大的轴向力，还需考虑由主梁传递的较大剪力、弯矩及轴向力。由于钢筋混凝土结构为非匀质材料，单纯使用数值仿真无法真实模拟其受力性能，因此在有限元分析的基础上[3]，对塔梁墩区域的关键部位及薄弱部位进行由不利工况控制的大比例同材料全断面模型加载试验，研究不利荷载作用下的各截面的受力特征[4]。校核模型试验及数值模拟分析结果，评判该固结区域的力学特性及安全储备，对同类桥梁设计、试验有一定参考意义。

2 试验方案设计

2.1 模型设计

根据塔梁墩固结体系受力特点，为使模型真实反应实桥固结区域的受力特性，试验模型涵盖了以下结构关键部位：主梁与下横梁的固结部位、主塔下横梁、下横梁与塔柱的连接部位。模型模拟对象选取为：主塔下横梁与塔柱固结区域、主塔两侧一定长度的主梁、横梁上下塔柱一定高度、主塔下横梁。经综合分析研究，试验模型的几何缩尺比定为1∶5，为有效施加弯矩，选取主梁过塔中心线4.1 m，主塔过主梁顶面高度2.3 m部分制作实验模型。

试验模型按1∶5的缩尺比例设计，采用与实际结构相同的材料制成，主要结构尺寸为实桥结构缩尺尺寸。制得的试验模型(不含底座和加载架)高5.54 m、宽9.46 m、长8.2 m。试验模型见图1、图2。

a) 试验模型正立面图

b) 试验模型侧立面图

图2 试验实体模型图

2.2 加载方案

考虑刚构体系塔梁墩固结处力的传递路径，根据设计院提供的最不利荷载值、ANSYS对模型的分析计算结果以及模型的实际情况，得出3个控制截面位置和最不利荷载对应的6种工况，3个试件控制截面分别对应距索塔中心线1.25 m两侧处的主梁横截面及塔柱外转折点向上9.00 m主塔横截面，这些控制截面在这6种工况下将产生不同的内力值。根据这些控制截面的内力值来确定加载方案，通过计算转换为对主梁、主塔施加不同大小及种类的荷载，6种工况定义见表1。

表1 工况对应表

2.2.1主梁荷载

对主梁施加端部轴力。边跨和中跨平衡轴力通过张拉通长预应力钢束来实现，边跨不平衡轴力通过千斤顶提供反力来实现，中跨不平衡轴力通过水平螺杆来实现。

对主梁施加剪力和弯矩。通过油压千斤顶施加外荷载，油压千斤顶设置在距主塔中心线2.5 m和4.0 m 2处。

2.2.2主塔荷载

通过张拉塔顶的预应力和5 000 kN千斤顶对主塔施加轴力。

对主塔施加横向剪力和弯矩：通过在主塔上端距离主梁上表面1 m和2 m处设置水平横向螺杆实现加载。

以工况1为例，荷载纵向布置见图3。

a) 梁端不平衡轴力、剪力和弯矩加载纵向布置图

b) 塔端纵向加载布置图

主塔、主梁的体外预应力张拉，应根据不同工况选择张拉预应力，调整轴力。为方便试验加载，减少调整千斤顶、反力架位置产生的额外工作量，应合理安排加载顺序。试验加载荷载取1.0P。各试验工况均采用分级加载的形式，以0.2P为1级，每个工况分成5级加载。待所有荷载工况加载完毕后，张拉主梁预应力筋直至开裂破坏。

2.3 测点布置

模型试验总共有13个测试截面，其中主梁内有4个断面，主塔下横梁处有3个断面，主塔和主墩共包含6个断面，测点总数超过200个，测点截面布置见图4。

a) 侧立面测点布置图

b) 正立面测点布置图

3 有限元计算模型

3.1 建立有限元模型计算

对比试验结果，利用ANSYS建立长门特大桥塔梁固结区三维实体模型，模型中混凝土采用实体单元模拟，预应力钢绞线采用杆单元模拟。塔梁墩固结部位基本按照实际构造进行建模。并按照实验方案的加载方式及顺序进行加载。ANSYS有限元软件计算模型见图5。

图5 塔梁墩固结区三维模型

3.2 有限元模型计算分析

通过ANSYS有限元计算模拟，结果显示塔梁墩固结处除主梁顶板与主塔交接的角部主拉应力达到2.74 MPa之外，其余主拉应力出现部位的应力值基本在1.1 MPa之内，整体应力较小，满足规范要求。

4 试验结果及分析

4.1 控制工况试验应力结果分析

分析实测得到的试验结果，将主梁和横梁连接处的2号断面，横梁跨中6号断面，横梁和主塔连接处的7号截面选定为试验的主要断面。校核这3个关键截面的试验值与有限元计算值，为节省篇幅，工况的结果均为已施加预应力荷载时的测试结果。3个截面具有代表性的压应力最大值的校核对比见图6。

图6 应力实测值、计算值对比图

通过对比这3个主要截面的应力实测值与模型计算结果可知，两者应力大小及分布规律基本一致，模型试验结果能有效反映实桥结构的受力状况。

4.2 开裂工况及位移结果分析

实测混凝土主梁开裂弯矩为3 750 kN·m，有限元计算得中跨最大弯矩值为1 380.8 kN·m，这表明混凝土主梁的设计有足够的安全储备，能够满足正常使用要求。

在6个工况1.0P荷载作用下，主梁竖向相对位移实测最大值为向下1.44 mm，实测主梁相对塔壁向上最大值为1.15 mm；横梁跨中向下最大位移为0.34 mm。在塔梁墩固结区域边跨轴力最大、边跨剪力最大、边跨弯矩最大、中跨轴力最大、中跨剪力最大、中跨弯矩最大6个工况1.0P荷载作用下，混凝土主塔水平顺桥向之间的位移基本为零，横梁跨中挠度没有超过桥跨结构挠跨比的容许值1/800。表明横梁在主梁和主塔传递来的荷载作用下具有较大的刚度，能够满足相应要求，试验实测相对位移值均小于相应的计算值，塔梁固结处刚度满足要求。