混合梁斜拉橋塔梁墩固結(jié)區(qū)受力性能試驗研究

俞 英 王亞飛

(1.福州東南繞城高速公路有限公司 福州 350000； 2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430000)

1 工程概況

長門特大橋為(35 m+44 m+66 m)+550 m+(66 m+44 m+35 m)雙塔雙索面混合梁斜拉橋,是福州繞城高速公路東南段工程項目中重要的控制性工程。主橋全長848 m，邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土箱梁分界線距索塔中心線24 m。

長門特大橋采用的單箱四室塔梁墩固結(jié)體系，目前在國內(nèi)未見報道。塔梁墩固結(jié)區(qū)域受力復(fù)雜[1-2]，進(jìn)行設(shè)計施工時，不僅要考慮由橋塔傳來的巨大的軸向力，還需考慮由主梁傳遞的較大剪力、彎矩及軸向力。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為非勻質(zhì)材料，單純使用數(shù)值仿真無法真實模擬其受力性能，因此在有限元分析的基礎(chǔ)上[3]，對塔梁墩區(qū)域的關(guān)鍵部位及薄弱部位進(jìn)行由不利工況控制的大比例同材料全斷面模型加載試驗，研究不利荷載作用下的各截面的受力特征[4]。校核模型試驗及數(shù)值模擬分析結(jié)果，評判該固結(jié)區(qū)域的力學(xué)特性及安全儲備，對同類橋梁設(shè)計、試驗有一定參考意義。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 模型設(shè)計

根據(jù)塔梁墩固結(jié)體系受力特點，為使模型真實反應(yīng)實橋固結(jié)區(qū)域的受力特性，試驗?zāi)Ｐ秃w了以下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位：主梁與下橫梁的固結(jié)部位、主塔下橫梁、下橫梁與塔柱的連接部位。模型模擬對象選取為：主塔下橫梁與塔柱固結(jié)區(qū)域、主塔兩側(cè)一定長度的主梁、橫梁上下塔柱一定高度、主塔下橫梁。經(jīng)綜合分析研究，試驗?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比定為1∶5，為有效施加彎矩，選取主梁過塔中心線4.1 m，主塔過主梁頂面高度2.3 m部分制作實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

試驗?zāi)Ｐ桶?∶5的縮尺比例設(shè)計，采用與實際結(jié)構(gòu)相同的材料制成，主要結(jié)構(gòu)尺寸為實橋結(jié)構(gòu)縮尺尺寸。制得的試驗?zāi)Ｐ?不含底座和加載架)高5.54 m、寬9.46 m、長8.2 m。試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1、圖2。

a) 試驗?zāi)Ｐ驼⒚鎴D

b) 試驗?zāi)Ｐ蛡?cè)立面圖

圖2 試驗實體模型圖

2.2 加載方案

考慮剛構(gòu)體系塔梁墩固結(jié)處力的傳遞路徑，根據(jù)設(shè)計院提供的最不利荷載值、ANSYS對模型的分析計算結(jié)果以及模型的實際情況，得出3個控制截面位置和最不利荷載對應(yīng)的6種工況，3個試件控制截面分別對應(yīng)距索塔中心線1.25 m兩側(cè)處的主梁橫截面及塔柱外轉(zhuǎn)折點向上9.00 m主塔橫截面，這些控制截面在這6種工況下將產(chǎn)生不同的內(nèi)力值。根據(jù)這些控制截面的內(nèi)力值來確定加載方案，通過計算轉(zhuǎn)換為對主梁、主塔施加不同大小及種類的荷載，6種工況定義見表1。

表1 工況對應(yīng)表

2.2.1主梁荷載

對主梁施加端部軸力。邊跨和中跨平衡軸力通過張拉通長預(yù)應(yīng)力鋼束來實現(xiàn)，邊跨不平衡軸力通過千斤頂提供反力來實現(xiàn)，中跨不平衡軸力通過水平螺桿來實現(xiàn)。

對主梁施加剪力和彎矩。通過油壓千斤頂施加外荷載，油壓千斤頂設(shè)置在距主塔中心線2.5 m和4.0 m 2處。

2.2.2主塔荷載

通過張拉塔頂?shù)念A(yù)應(yīng)力和5 000 kN千斤頂對主塔施加軸力。

對主塔施加橫向剪力和彎矩：通過在主塔上端距離主梁上表面1 m和2 m處設(shè)置水平橫向螺桿實現(xiàn)加載。

以工況1為例，荷載縱向布置見圖3。

a) 梁端不平衡軸力、剪力和彎矩加載縱向布置圖

b) 塔端縱向加載布置圖

主塔、主梁的體外預(yù)應(yīng)力張拉，應(yīng)根據(jù)不同工況選擇張拉預(yù)應(yīng)力，調(diào)整軸力。為方便試驗加載，減少調(diào)整千斤頂、反力架位置產(chǎn)生的額外工作量，應(yīng)合理安排加載順序。試驗加載荷載取1.0P。各試驗工況均采用分級加載的形式，以0.2P為1級，每個工況分成5級加載。待所有荷載工況加載完畢后，張拉主梁預(yù)應(yīng)力筋直至開裂破壞。

2.3 測點布置

模型試驗總共有13個測試截面，其中主梁內(nèi)有4個斷面，主塔下橫梁處有3個斷面，主塔和主墩共包含6個斷面，測點總數(shù)超過200個，測點截面布置見圖4。

a) 側(cè)立面測點布置圖

b) 正立面測點布置圖

3 有限元計算模型

3.1 建立有限元模型計算

對比試驗結(jié)果，利用ANSYS建立長門特大橋塔梁固結(jié)區(qū)三維實體模型，模型中混凝土采用實體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用桿單元模擬。塔梁墩固結(jié)部位基本按照實際構(gòu)造進(jìn)行建模。并按照實驗方案的加載方式及順序進(jìn)行加載。ANSYS有限元軟件計算模型見圖5。

圖5 塔梁墩固結(jié)區(qū)三維模型

3.2 有限元模型計算分析

通過ANSYS有限元計算模擬，結(jié)果顯示塔梁墩固結(jié)處除主梁頂板與主塔交接的角部主拉應(yīng)力達(dá)到2.74 MPa之外，其余主拉應(yīng)力出現(xiàn)部位的應(yīng)力值基本在1.1 MPa之內(nèi)，整體應(yīng)力較小，滿足規(guī)范要求。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 控制工況試驗應(yīng)力結(jié)果分析

分析實測得到的試驗結(jié)果，將主梁和橫梁連接處的2號斷面，橫梁跨中6號斷面，橫梁和主塔連接處的7號截面選定為試驗的主要斷面。校核這3個關(guān)鍵截面的試驗值與有限元計算值，為節(jié)省篇幅，工況的結(jié)果均為已施加預(yù)應(yīng)力荷載時的測試結(jié)果。3個截面具有代表性的壓應(yīng)力最大值的校核對比見圖6。

圖6 應(yīng)力實測值、計算值對比圖

通過對比這3個主要截面的應(yīng)力實測值與模型計算結(jié)果可知，兩者應(yīng)力大小及分布規(guī)律基本一致，模型試驗結(jié)果能有效反映實橋結(jié)構(gòu)的受力狀況。

4.2 開裂工況及位移結(jié)果分析

實測混凝土主梁開裂彎矩為3 750 kN·m，有限元計算得中跨最大彎矩值為1 380.8 kN·m，這表明混凝土主梁的設(shè)計有足夠的安全儲備，能夠滿足正常使用要求。

在6個工況1.0P荷載作用下，主梁豎向相對位移實測最大值為向下1.44 mm，實測主梁相對塔壁向上最大值為1.15 mm；橫梁跨中向下最大位移為0.34 mm。在塔梁墩固結(jié)區(qū)域邊跨軸力最大、邊跨剪力最大、邊跨彎矩最大、中跨軸力最大、中跨剪力最大、中跨彎矩最大6個工況1.0P荷載作用下，混凝土主塔水平順橋向之間的位移基本為零，橫梁跨中撓度沒有超過橋跨結(jié)構(gòu)撓跨比的容許值1/800。表明橫梁在主梁和主塔傳遞來的荷載作用下具有較大的剛度，能夠滿足相應(yīng)要求，試驗實測相對位移值均小于相應(yīng)的計算值，塔梁固結(jié)處剛度滿足要求。

5 結(jié)論

1) 塔梁墩固結(jié)區(qū)域在所取6種不利工況下，主梁和橫梁的主要斷面的實測應(yīng)力大小、規(guī)律與有限元計算結(jié)果相一致，均滿足設(shè)計規(guī)范要求，表明本模型試驗?zāi)茌^好地反映實橋真實受力情況，結(jié)構(gòu)符合使用要求。

2) 基于工況6的開裂極限狀態(tài)，中跨混凝土主梁開裂彎矩遠(yuǎn)大于工況6中跨計算最大彎矩值，表明混凝土主梁結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備。

3) 在不利工況作用下，混凝土主梁、橫梁之間的豎向、水平向的相對位移很小，表明混凝土主梁、橫梁和主塔具有足夠的抗彎和抗剪剛度，滿足安全使用要求。

[1] 吳美艷,楊光武,鄭舟軍.馬鞍山長江公路大橋塔梁固結(jié)處模型試驗研究[J].橋梁建設(shè),2011(3):13-16.

[2] 陳小玲.單索面矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)局部應(yīng)力分析[J].交通科技,2012(1):4-6.

[3] 張慎清.鐵路矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)段應(yīng)力分析[J].交通科技,2014(3):29-31.

[4] 崔楠楠, 賈布裕, 余曉琳,等. 斜拉橋單向預(yù)應(yīng)力體系索塔錨固區(qū)足尺模型試驗研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,43(5):61-69.