超大跨徑自錨式懸索橋全橋模型試驗(yàn)測(cè)試方法研究
2018-05-21
近年來，國內(nèi)外修建了一些自錨式懸索橋并進(jìn)行了相關(guān)的模型試驗(yàn)研究，獲得了不少有益成果，但是多針對(duì)跨徑不大的自錨式懸索橋，而對(duì)于大跨徑的自錨式懸索橋的模型試驗(yàn)研究則比較少。
目前，正在建設(shè)的桃花峪黃河大橋結(jié)構(gòu)新穎、體系復(fù)雜，其具有主橋跨徑大（主跨406m，在同類型橋梁中世界第一）、橋面寬（箱梁寬度達(dá)39m）、設(shè)計(jì)荷載等級(jí)高（是國內(nèi)公路橋梁最大標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.3倍）等特點(diǎn)，且國內(nèi)外對(duì)于此類橋梁無論在設(shè)計(jì)還是在施工方面均無十分成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，因此對(duì)這種超大跨徑、寬橋面、高設(shè)計(jì)荷載的超大跨徑自錨式懸索橋進(jìn)行全橋模型試驗(yàn)測(cè)試方法研究是十分必要的。
1依托項(xiàng)目介紹
桃花峪黃河大橋主橋?yàn)殡p塔三跨自錨式懸索橋，主纜孔跨布置為160m+406m+160m，中跨矢跨比1/5.8。主梁采用整體鋼箱梁斷面形式，全長(zhǎng)為737.43m（包括主纜錨固段）。主橋橫向設(shè)置2%橫坡，橋面系寬33m（不含布索區(qū)）。工程設(shè)計(jì)按雙向六車道高速公路建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100km/h，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路－Ⅰ級(jí)×1.3，其橋梁效果見圖如1。
圖1桃花峪黃河大橋效果圖
2全橋模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介
桃花峪黃河大橋全橋模型試驗(yàn)為了得到比較理想的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在綜合考慮試驗(yàn)內(nèi)容、模型材料、制作精度及試驗(yàn)場(chǎng)地基礎(chǔ)上，選定全橋模型的幾何縮尺比為1/30。模型各部分（除橋塔外）均采用相應(yīng)與原型相同彈性模量和泊松比的材料，原橋塔柱材質(zhì)為鋼筋混凝土，模型橋塔采用鋼結(jié)構(gòu)。在模型試驗(yàn)時(shí)，為彌補(bǔ)材料容重不足所產(chǎn)生的影響，采用了恒載補(bǔ)償?shù)霓k法，在綜合考慮了模型承載能力與試驗(yàn)條件等因素的情況下，選定力的縮尺比為1/1。桃花峪黃河大橋全橋模型試驗(yàn)效果見圖2。
圖1桃花峪黃河大橋全橋模型試驗(yàn)效果圖
根據(jù)選定的縮尺比可以得到模型的總長(zhǎng)為24.2m，寬度為1.3m，北索塔總高為4.52m，南索塔總高為4.6m，主纜橫向間距為1.2m，吊索縱向基本間距為0.45m。
3全橋模型試驗(yàn)張拉方法設(shè)計(jì)
3.1主纜張拉方法設(shè)計(jì)
為了準(zhǔn)確地控制主纜的線形，對(duì)主纜進(jìn)行了預(yù)張拉，消除可能存在的非彈性變形和不平度，再將主纜放在地面上，用油漆分別對(duì)左錨固端點(diǎn)、右錨固端點(diǎn)、左主塔頂中點(diǎn)、右主塔頂中點(diǎn)和跨中中點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，然后將主纜架設(shè)到主塔上，用手動(dòng)葫蘆調(diào)整主纜以達(dá)到模型設(shè)計(jì)線形。主纜標(biāo)記見圖3，錨固端主纜固定見圖4。
圖3 主纜標(biāo)記
圖4 錨固端主纜固定
3.2 吊索張拉方法設(shè)計(jì)
為了準(zhǔn)確地控制吊索的錨固力，對(duì)不同位置的吊索采用了不同的張拉工具和張拉方法。對(duì)中跨靠近主塔張拉力較小的吊索和邊跨的吊索，在吊索張拉時(shí)，先在螺桿上懸掛與張拉力相等重量的鐵塊，然后擰動(dòng)螺母錨固，錨固后去掉鐵塊，再調(diào)整螺母，達(dá)到吊索張拉要求；對(duì)中跨張拉力較大的吊索，在吊索張拉時(shí)，人工在螺桿上懸掛相等重量的鐵塊是非常困難的，先在吊索最下方安裝一個(gè)反力架且用多個(gè)螺母固定，然后再用水平尺將反力架調(diào)平，在反力架上面放置千斤頂并在千斤頂上安裝測(cè)力傳感器，通過理論計(jì)算值頂升主梁，擰動(dòng)螺母錨固，錨固后去掉鐵塊，再擰緊或放松錨固螺母，達(dá)到吊索張拉要求。吊索張拉錨固見圖5。
圖5 吊索張拉錨固示意圖
4 全橋模型試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 力的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
① 主纜內(nèi)力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在主纜完成預(yù)張拉并用油漆標(biāo)記點(diǎn)后，在主纜兩端的錨固點(diǎn)安裝主纜內(nèi)力計(jì)測(cè)器。主纜內(nèi)力計(jì)測(cè)器主要由壓力環(huán)（量程0-15T）、壓力傳感器和手持式應(yīng)變測(cè)試儀三部分構(gòu)成（主纜內(nèi)力計(jì)測(cè)器見圖6）。在主纜架設(shè)完成后，進(jìn)行施工階段模擬時(shí)，測(cè)量不同施工階段的主纜應(yīng)變讀數(shù)，通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系將應(yīng)變換算成主纜應(yīng)力，再通過內(nèi)力-應(yīng)力關(guān)系將讀數(shù)換算成主纜內(nèi)力。
圖6 主纜內(nèi)力計(jì)測(cè)器
?、?吊索索力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于自錨式懸索橋全橋模型試驗(yàn)吊索索力的測(cè)試，傳統(tǒng)的測(cè)力裝置是貼應(yīng)變片，但是由于試驗(yàn)吊索一般較細(xì)，且具有較大的柔性，細(xì)索表面又為曲面，所以貼應(yīng)變片的方法很難發(fā)揮作用。而且目前針對(duì)索力測(cè)試的頻率法又主要是用于原型結(jié)構(gòu)的測(cè)試，還沒有專門針對(duì)試驗(yàn)的吊索索力測(cè)試系統(tǒng)，故在此基礎(chǔ)上基于三點(diǎn)加載法自主開發(fā)了吊索索力測(cè)試系統(tǒng)（見圖7）。
圖7 基于三點(diǎn)懸測(cè)法的索力計(jì)測(cè)器
基于三點(diǎn)加載法的吊索索力測(cè)試系統(tǒng)工作原理是：索結(jié)構(gòu)只能承受拉力不能承受壓力，在軸向力作用下產(chǎn)生應(yīng)力鋼化效應(yīng)，使柔索具有橫向剛度，能夠承受一定的橫向荷載。
?、?主梁應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了測(cè)試在施工過程中主梁的受力情況，在主梁上設(shè)計(jì)了應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。主梁上的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)由應(yīng)變片、靜態(tài)電阻式應(yīng)變儀和靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀三部分構(gòu)成（主梁應(yīng)變計(jì)測(cè)器見圖8）。
圖8 主梁上應(yīng)變計(jì)測(cè)器
4.2 位移（變形）測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
?、?主纜位移測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
主纜位移的測(cè)量?jī)x器選用Nikon DTM-452C全站儀，在施工模擬時(shí)，逐一對(duì)目標(biāo)觀測(cè)棱鏡進(jìn)行測(cè)量。在主纜觀測(cè)點(diǎn)上焊裝24個(gè)反光棱鏡（反光棱鏡的中心和觀測(cè)點(diǎn)主纜中心一致）。
?、?主梁位移測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了測(cè)試在施工中主梁的撓度變化，在主梁上設(shè)計(jì)了位移測(cè)試系統(tǒng)。主梁位移測(cè)試系統(tǒng)主要由槽鋼、CZ-6A磁性表座、電測(cè)千分表和壓力傳感器（量程0-1T）四部分構(gòu)成。首先將槽鋼用細(xì)鐵絲固定在輔助墩上，然后將磁性表座固定在槽鋼上，將千分表反向壓在主梁底板上，再將千分表上接上壓力傳感器，最后將傳感器接線串聯(lián)到電腦上測(cè)試。主梁撓度計(jì)測(cè)器見圖9。
圖9 主梁撓度計(jì)測(cè)器
?、?索塔偏位和索鞍頂推測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
索塔的偏位和索鞍頂推測(cè)試是通過在索塔和索鞍上掛鉛垂，用鋼尺量測(cè)量索塔偏位和索鞍頂推數(shù)據(jù)。索塔和索鞍測(cè)試工具見圖10。
圖10 索塔和索鞍測(cè)試工具
試驗(yàn)室所有張拉和測(cè)試系統(tǒng)及工具見表1。
表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工具匯總表
5 結(jié)論
筆者在相似理論的基礎(chǔ)上，通過對(duì)桃花峪黃河大橋主橋這類超大跨徑自錨式懸索橋的全橋模型試驗(yàn)主纜張拉方法設(shè)計(jì)和吊索張拉方法設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并敘述了力的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)和位移（變形）測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以便為今后同類橋梁的設(shè)計(jì)提供借鑒和依據(jù)。
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