長門特大橋塔梁墩固結(jié)區(qū)模型試驗(yàn)加載方案研究

徐華銳 吳永泉

(福州東南繞城高速公路有限公司 福州 350000)

1 試驗(yàn)概況

長門特大橋全長848 m，結(jié)構(gòu)形式為(35 m+44 m+66 m) +550 m+(66 m+44 m+35 m)的雙塔雙索面混合梁斜拉橋[1]。

該橋?yàn)榇罂缍刃崩瓨颍渌憾展探Y(jié)區(qū)受力復(fù)雜[2]，除需承受橋塔傳遞的巨大的軸向力外，還需承受由主梁傳遞而來的較大的軸力、彎矩和剪力，為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的可靠性，嚴(yán)格按照幾何條件、物理?xiàng)l件、邊界條件相似的原則對原橋固結(jié)區(qū)進(jìn)行比例縮尺，開展其塔梁墩固結(jié)區(qū)大比例全斷面同材料模型試驗(yàn)研究。模型對象主要包括一定高度的主塔、主梁、下橫梁及它們的固結(jié)部位，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物見圖1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

由于本試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绱蟆?gòu)造復(fù)雜，且試驗(yàn)需控制的不利工況數(shù)較多，荷載總值較大，因此，合理設(shè)計試驗(yàn)的加載方案較為困難。本文介紹了本試驗(yàn)加載方案設(shè)計的基本思路、具體設(shè)計方案，以及該方案應(yīng)用的有效性分析。

2 選用加載方案

試驗(yàn)需要模擬的荷載基本均為靜力荷載，可選擇的靜力加載方式如下。

1) 堆載法。堆載法[3]是指利用物體本身的重量施加于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上的加載方式。本試驗(yàn)由于模型尺寸大，需要承受的荷載值高，若將如此巨大的加載量轉(zhuǎn)換為眾多的質(zhì)量塊，會使加載工作變得繁瑣，故實(shí)驗(yàn)未采取此種加載方式。

2) 機(jī)具加載法。機(jī)具加載通常采用的機(jī)具有吊鏈、卷揚(yáng)機(jī)、絞車、彈簧等，設(shè)備較為簡單，但考慮到采用機(jī)械加載的方式無法提供較大荷載，且加載點(diǎn)的位移會引起荷載值的改變，在本試驗(yàn)內(nèi)該加載方案較難實(shí)現(xiàn)。

3) 千斤頂法。千斤頂結(jié)合反力架結(jié)構(gòu)的加載方法[4-6]為工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中常用的加載方式，考慮到液壓千斤頂可提供的荷載大，設(shè)備操作簡單，移動方便，滿足本試驗(yàn)的不利工況較多、荷載總值較大的要求，且實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備數(shù)目與規(guī)格均滿足要求，故本試驗(yàn)將液壓千斤頂結(jié)合反力架系統(tǒng)選用為加載方式之一。

4) 螺桿法。螺桿法依靠反力裝置提供加載，由力傳感器控制荷載大小，操作方便易行，本試驗(yàn)將螺桿法采取為加載方式之一。

5) 預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉法。對構(gòu)件里的預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行張拉，可較好地施加構(gòu)件軸向力，操作較為便捷，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備充足，故本試驗(yàn)采用了預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉的方法來進(jìn)行試驗(yàn)加載。

根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，考慮本試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)形式與荷載特點(diǎn)，最終確定采用反力框架與多種加載方式相結(jié)合加載方案，模型共布置13個加載點(diǎn)，每個加載點(diǎn)選取液壓式千斤頂、預(yù)應(yīng)力螺桿、預(yù)應(yīng)力鋼絞線三者之一進(jìn)行加載，不利工況由這13個加載點(diǎn)的不同加載狀態(tài)組合而成。

3 加載方案設(shè)計

3.1 加載方案的關(guān)鍵點(diǎn)

為較好地模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)，在加載方案實(shí)施過程中，必須考慮以下關(guān)鍵點(diǎn)。

1) 各加載點(diǎn)的加載值。本試驗(yàn)加載點(diǎn)、不利工況數(shù)目較多，在同一不利工況作用下，不同加載點(diǎn)對應(yīng)荷載大小不一；在不同不利工況條件下，同一加載點(diǎn)的加載值也會改變，所以需要設(shè)計合理的加載方案，使各加載點(diǎn)荷載值能有效、方便地調(diào)節(jié)大小。

2) 同步加載。在同一工況下，對應(yīng)的各加載點(diǎn)的載荷必須同時加載，其中，加載點(diǎn)眾多、荷載不均勻均是進(jìn)行同步加載的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本試驗(yàn)采取人工控制的方法做到同步加載。

3) 工況控制順序。在加載過程中，為了較好的探索模型結(jié)構(gòu)的受力性能，應(yīng)安排適宜的控制工況順序，使結(jié)構(gòu)從綜合荷載較小的不利工況開始逐步加載，實(shí)現(xiàn)減少調(diào)整千斤頂、反力架位置的額外工作量的目的。

3.2 加載方案

綜合考慮設(shè)計提供的最不利荷載值、全橋有限元模型計算結(jié)果、縮尺后局部有限元模型計算的結(jié)果以及模型的實(shí)標(biāo)情況，得出6種不利工況，確定關(guān)鍵截面及6種不利工況下的內(nèi)力，為方便調(diào)節(jié)荷載，實(shí)現(xiàn)同步加載、等效加載，通過對主梁、主塔施加荷載的方法模擬6種工況下各關(guān)鍵截面對應(yīng)的內(nèi)力。

1) 主梁荷載。端部軸力——邊跨和中跨平衡軸力通過張拉通長預(yù)應(yīng)力筋(1號)、邊跨不平衡軸力通過千斤頂(2號)、中跨不平衡軸力通過水平螺桿(3號)來實(shí)現(xiàn)。

剪力和彎矩——通過在梁端距離主塔中心線2.5 m(邊跨為4號，中跨為6號)和4.0 m(邊跨為5號，中跨為7號)2處設(shè)置的油壓千斤頂來施加。

2) 主塔荷載。主塔軸力——通過塔頂?shù)膹埨A(yù)應(yīng)力(8號)和5 000 kN千斤頂(9號)來施加。

主塔橫向剪力和彎矩——通過主塔上端距離主梁上表面1 m(10號)和2 m(11號)2處設(shè)置水平橫向螺桿來實(shí)現(xiàn)加載，主塔縱向剪力和彎矩——通過主塔上端距離主梁上表面1 m(12號)和2 m(13號)2處設(shè)置水平縱向螺桿或千斤頂來實(shí)現(xiàn)加載，舉工況一(邊跨軸力最大)為例，工況一加載圖見圖2、圖3，各加載點(diǎn)對應(yīng)荷載見表1。

表1 工況一預(yù)應(yīng)力筋、千斤頂和螺桿的情況 kN

圖2 梁上預(yù)應(yīng)力筋及水平螺桿示意圖

圖3 工況一加載圖(單位：cm)

根據(jù)3.1第3條，為使加載方便，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)加載順序，本試驗(yàn)加載順序?yàn)楣r五(中跨剪力最大)-工況一(邊跨軸力最大)-工況三(邊跨彎矩最大)-工況二(邊跨剪力最大)-工況四(中跨軸力最大)-工況六(中跨彎矩最大)。主塔施加軸力的體外預(yù)應(yīng)力張拉到6 000 kN，主梁施加軸力的體外預(yù)應(yīng)力張拉到12 463.72 kN，根據(jù)不同工況張拉預(yù)應(yīng)力，調(diào)整軸力。試驗(yàn)加載荷載取為1.0P，P為預(yù)應(yīng)力張拉最終值。

各試驗(yàn)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。

4 試驗(yàn)有效性分析

在考慮模型尺寸效應(yīng)的情況下，通過實(shí)測的近1 500個實(shí)測數(shù)據(jù)，分析比較相對的有限元計算值，結(jié)果表明：試驗(yàn)實(shí)測與有限元實(shí)橋計算的應(yīng)力大小及分布規(guī)律一致，采集的關(guān)鍵截面應(yīng)力計算值與實(shí)測之比基本在1～1.05之間，說明了本模型試驗(yàn)加載方案可以反映實(shí)橋結(jié)構(gòu)的受力狀況。限于文章篇幅，僅舉橫梁和主塔連接處截面內(nèi)力范圍與實(shí)橋有限元計算范圍作對比，如表2所示，可以看出該截面各不利工況下的有限元計算的應(yīng)力分布值與實(shí)測應(yīng)力分布值極為接近。

表2橫梁和主塔連接處截面計算值與實(shí)測值MPa

工況計算范圍實(shí)測范圍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 結(jié)語

本文依托長門特大橋塔梁墩固結(jié)區(qū)的模型試驗(yàn)項(xiàng)目，研究設(shè)計其加載方案，在考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缂皹?gòu)造、實(shí)際結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施等方面的基礎(chǔ)上，分析加載設(shè)計過程中應(yīng)注意的關(guān)鍵點(diǎn)，確定加載位置、施加荷載大小及合適的加載方式。計算對比表明，針對本試驗(yàn)設(shè)計的加載方案可有效地實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)?zāi)康?，可較好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。

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