长门特大桥塔梁墩固结区模型试验加载方案研究

徐华锐 吴永泉

(福州东南绕城高速公路有限公司 福州 350000)

1 试验概况

长门特大桥全长848 m，结构形式为(35 m+44 m+66 m) +550 m+(66 m+44 m+35 m)的双塔双索面混合梁斜拉桥[1]。

该桥为大跨度斜拉桥，其塔梁墩固结区受力复杂[2]，除需承受桥塔传递的巨大的轴向力外，还需承受由主梁传递而来的较大的轴力、弯矩和剪力，为验证该结构的可靠性，严格按照几何条件、物理条件、边界条件相似的原则对原桥固结区进行比例缩尺，开展其塔梁墩固结区大比例全断面同材料模型试验研究。模型对象主要包括一定高度的主塔、主梁、下横梁及它们的固结部位，试验模型实物见图1。

图1 试验模型

由于本试验模型尺寸大、构造复杂，且试验需控制的不利工况数较多，荷载总值较大，因此，合理设计试验的加载方案较为困难。本文介绍了本试验加载方案设计的基本思路、具体设计方案，以及该方案应用的有效性分析。

2 选用加载方案

试验需要模拟的荷载基本均为静力荷载，可选择的静力加载方式如下。

1) 堆载法。堆载法[3]是指利用物体本身的重量施加于试验结构上的加载方式。本试验由于模型尺寸大，需要承受的荷载值高，若将如此巨大的加载量转换为众多的质量块，会使加载工作变得繁琐，故实验未采取此种加载方式。

2) 机具加载法。机具加载通常采用的机具有吊链、卷扬机、绞车、弹簧等，设备较为简单，但考虑到采用机械加载的方式无法提供较大荷载，且加载点的位移会引起荷载值的改变，在本试验内该加载方案较难实现。

3) 千斤顶法。千斤顶结合反力架结构的加载方法[4-6]为工程结构试验中常用的加载方式，考虑到液压千斤顶可提供的荷载大，设备操作简单，移动方便，满足本试验的不利工况较多、荷载总值较大的要求，且实验室的设备数目与规格均满足要求，故本试验将液压千斤顶结合反力架系统选用为加载方式之一。

4) 螺杆法。螺杆法依靠反力装置提供加载，由力传感器控制荷载大小，操作方便易行，本试验将螺杆法采取为加载方式之一。

5) 预应力钢绞线张拉法。对构件里的预应力钢绞线进行张拉，可较好地施加构件轴向力，操作较为便捷，实验室仪器设备充足，故本试验采用了预应力钢绞线张拉的方法来进行试验加载。

根据以往试验经验，考虑本试验的结构形式与荷载特点，最终确定采用反力框架与多种加载方式相结合加载方案，模型共布置13个加载点，每个加载点选取液压式千斤顶、预应力螺杆、预应力钢绞线三者之一进行加载，不利工况由这13个加载点的不同加载状态组合而成。

3 加载方案设计

3.1 加载方案的关键点

为较好地模拟结构实际受力状态，在加载方案实施过程中，必须考虑以下关键点。

1) 各加载点的加载值。本试验加载点、不利工况数目较多，在同一不利工况作用下，不同加载点对应荷载大小不一；在不同不利工况条件下，同一加载点的加载值也会改变，所以需要设计合理的加载方案，使各加载点荷载值能有效、方便地调节大小。

2) 同步加载。在同一工况下，对应的各加载点的载荷必须同时加载，其中，加载点众多、荷载不均匀均是进行同步加载的重点和难点，本试验采取人工控制的方法做到同步加载。

3) 工况控制顺序。在加载过程中，为了较好的探索模型结构的受力性能，应安排适宜的控制工况顺序，使结构从综合荷载较小的不利工况开始逐步加载，实现减少调整千斤顶、反力架位置的额外工作量的目的。

3.2 加载方案

综合考虑设计提供的最不利荷载值、全桥有限元模型计算结果、缩尺后局部有限元模型计算的结果以及模型的实标情况，得出6种不利工况，确定关键截面及6种不利工况下的内力，为方便调节荷载，实现同步加载、等效加载，通过对主梁、主塔施加荷载的方法模拟6种工况下各关键截面对应的内力。

1) 主梁荷载。端部轴力——边跨和中跨平衡轴力通过张拉通长预应力筋(1号)、边跨不平衡轴力通过千斤顶(2号)、中跨不平衡轴力通过水平螺杆(3号)来实现。

剪力和弯矩——通过在梁端距离主塔中心线2.5 m(边跨为4号，中跨为6号)和4.0 m(边跨为5号，中跨为7号)2处设置的油压千斤顶来施加。

2) 主塔荷载。主塔轴力——通过塔顶的张拉预应力(8号)和5 000 kN千斤顶(9号)来施加。

主塔横向剪力和弯矩——通过主塔上端距离主梁上表面1 m(10号)和2 m(11号)2处设置水平横向螺杆来实现加载，主塔纵向剪力和弯矩——通过主塔上端距离主梁上表面1 m(12号)和2 m(13号)2处设置水平纵向螺杆或千斤顶来实现加载，举工况一(边跨轴力最大)为例，工况一加载图见图2、图3，各加载点对应荷载见表1。

表1 工况一预应力筋、千斤顶和螺杆的情况 kN

图2 梁上预应力筋及水平螺杆示意图

图3 工况一加载图(单位：cm)

根据3.1第3条，为使加载方便，应适当调节加载顺序，本试验加载顺序为工况五(中跨剪力最大)-工况一(边跨轴力最大)-工况三(边跨弯矩最大)-工况二(边跨剪力最大)-工况四(中跨轴力最大)-工况六(中跨弯矩最大)。主塔施加轴力的体外预应力张拉到6 000 kN，主梁施加轴力的体外预应力张拉到12 463.72 kN，根据不同工况张拉预应力，调整轴力。试验加载荷载取为1.0P，P为预应力张拉最终值。

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。

4 试验有效性分析

在考虑模型尺寸效应的情况下，通过实测的近1 500个实测数据，分析比较相对的有限元计算值，结果表明：试验实测与有限元实桥计算的应力大小及分布规律一致，采集的关键截面应力计算值与实测之比基本在1～1.05之间，说明了本模型试验加载方案可以反映实桥结构的受力状况。限于文章篇幅，仅举横梁和主塔连接处截面内力范围与实桥有限元计算范围作对比，如表2所示，可以看出该截面各不利工况下的有限元计算的应力分布值与实测应力分布值极为接近。

表2横梁和主塔连接处截面计算值与实测值MPa

工况计算范围实测范围一-6．30～2．42-6．22～2．41二-6．62～1．67-6．30～1．72三-5．54～2．64-5．60～2．54四-5．76～2．17-5．60～2．14五-5．88～2．30-5．60～2．54六-5．60～2．54-5．76～2．48

5 结语

本文依托长门特大桥塔梁墩固结区的模型试验项目，研究设计其加载方案，在考虑试验模型尺寸及构造、实际结构受力特点、实验室硬件设施等方面的基础上，分析加载设计过程中应注意的关键点，确定加载位置、施加荷载大小及合适的加载方式。计算对比表明，针对本试验设计的加载方案可有效地实现模型试验目的，可较好地反映实际结构的受力特点。

[1] 陈双全, 王维红.福建长门特大桥混合梁斜拉桥钢混结合部位置比选论证[J].公路,2015(7):124-128.

[2] 张树清.矮塔斜拉桥塔-梁-墩固结局部分析[J].交通科技,2015(5):46-48.

[3] 朱晓伟.超大吨位静载试验的防倾覆措施[J].铁道建筑技术,2008(4):66-68.

[4] 张军,罗力军,朱超,等.武汉市姑嫂树路高架跨线桥转体平台墩模型试验研究[J].交通科技,2014(2):34-36.

[5] 侯东序,董伟,吴智敏,等.CFRP加固局部薄弱混凝土桥墩非线性分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2014,38(3):520-524.

[6] 蔡军,张奇志,张敏.襄阳市内环线工程汉江三桥索塔锚固区足尺模型试验研究[J].交通科技,2012(5):20-23.