车载作用下超宽混凝土箱梁自锚式悬索桥静力特性

周广盼　 李爱群,2　 李建慧　 端茂军

(1东南大学土木工程学院, 南京 210096)(2北京建筑大学, 北京 100044)(3南京林业大学土木工程学院, 南京 210037)

车载作用下超宽混凝土箱梁自锚式悬索桥静力特性

周广盼1李爱群1,2李建慧3端茂军1

(1东南大学土木工程学院, 南京 210096)(2北京建筑大学, 北京 100044)(3南京林业大学土木工程学院, 南京 210037)

摘要:为了探讨超宽混凝土箱梁自锚式悬索桥在车载作用下的受力状态,通过实桥荷载试验和ANSYS有限元分析,研究了结构整体静力特性以及超宽加劲梁的纵向应力水平及其分布．试验结果表明:在相当于设计汽车荷载水平的试验荷载下,主塔顶横桥向位移较纵桥向明显;受剪力滞效应、横坡及车轮局部效应的影响,超宽加劲梁受力空间效应明显,对称车载作用下加劲梁挠度沿横桥向呈V形变化,最大可达35 mm,偏心车载作用下扭转变形明显;加劲梁顶、底板纵向应力沿横桥向呈不均匀分布,最大纵向应力增量位于顶、底板与内腹板交接处,对称车载作用下顶板纵向应力沿横桥向呈M形变化;偏心车载作用下缆索系统受超宽加劲梁的空间效应影响,两侧索面受力的不均匀性较为明显．

关键词:自锚式悬索桥;超宽混凝土加劲梁;有限元法;静力特性;荷载试验

随着我国桥梁建设水平的提高,公路桥梁的实用性和观赏性并重成为趋势,混凝土自锚式悬索桥因其经济性、优雅的外观及合理的受力形式,在各类桥型中竞争力日益增强[1-3]．绝大多数自锚式悬索桥修建在城市公路交通要道上,起到交通枢纽的作用,城市交通量的增长促使桥梁宽度增至40～60m,以满足车道数量增加的需要．车辆荷载直接作用于主梁上,使得自锚式悬索桥在车载作用下的整体力学行为备受关注,超宽混凝土箱梁的受力特性研究也因其复杂的受力状态成为桥梁工程领域的重点问题之一．

目前,针对桥梁结构车辆荷载作用效应的研究主要通过数值分析[4]、缩尺模型试验[5-6]及实桥试验3种方法来实现．要准确掌握超宽箱梁自锚式悬索桥在车载作用下的受力状态,需要借助于现场静动载试验的实测结果,并结合理论计算分析进行验证．目前,针对混凝土连续梁桥[7]、钢箱梁斜拉桥[8]及钢箱梁自锚式悬索桥[9]等桥型的实桥荷载试验研究已较为普遍,而混凝土箱梁自锚式悬索桥的实桥静动载试验(尤其是针对超宽箱梁自锚式悬索桥的实桥荷载试验)研究则较少．本文通过对山东湖南路自锚式悬索桥(简称湖南路大桥)进行静动载试验和理论分析,研究了超宽自锚式悬索桥在车载作用下的整体静力特性,重点分析了超宽混凝土加劲梁的应力水平及其横桥向分布．

1工程概况

湖南路大桥主桥为三跨双塔双索面自锚式悬索桥,跨径布置为53+112+53=218m,主梁采用两箱六室预应力混凝土箱梁,并设置横梁,宽度为52m,居目前国内同类桥型宽度之首;主梁采用C50混凝土,主塔采用C40混凝土;主梁纵坡坡度为2.5%,横坡坡度为1.5%;主缆中跨矢跨比为1/5.276,边跨矢跨比为1/12.965,南北侧主缆缆心间距为31.7m;全桥共37对吊杆,吊杆间距为5m,北缆吊杆自西向东编号依次为B1～B37,南缆吊杆自西向东编号依次为N1～N37．桥梁总体布置及加劲梁截面形式见图1．图中,CS1～CS9为主梁横截面编号．

2结构有限元分析

利用悬索桥解析法计算软件[10]及施工监控资料,迭代计算得到湖南路大桥成桥状态的内力和线形,利用ANSYS有限元软件建立成桥状态空间有限元模型(见图2)．

(a) 总体布置图

(b) 超宽加劲梁横截面

(a) 整体模型

(b) 超宽混凝土箱梁模型

主塔、横梁及超宽箱梁采用考虑翘曲的Beam188铁木辛柯梁单元来模拟,并通过设置输出控制选项得到环向应力．根据超宽箱梁的实际截面形式及测点位置,利用ANSYS程序自定义截面功能进行多尺度截面网格划分,在后处理中提取截面上各节点处的纵向应力值,从而提高计算效率．箱梁与横梁间采用无重Shell181板单元连接,以模拟桥面板．主缆、吊杆及预应力钢束采用Link10杆单元模拟,通过定义初应变来施加主缆内力、吊杆力及预应力．主缆与塔顶、梁端间通过温度刚臂连接,并采用升降温度的方法模拟主缆作用下主塔及主梁的压缩量．按照实际的支座类型进行塔梁及梁端自由度约束．二期铺装、塔顶装饰段、引桥压重、索鞍及索夹等采用Mass21质量单元模拟．车辆荷载按实际加载车辆轴重等效为车轮集中力．为验证数值模拟的可靠性,对有限元模型进行初始平衡状态分析,并将结构自振频率、主梁竖向挠度及纵向应力计算结果与桥梁施工全部完成后的实测数据进行对比,结果见表1～表3．由表可知,有限元模型计算结果与成桥时的实际状态吻合良好．

表1　结构自振频率结果对比　Hz

表2　主梁道路中心线处竖向挠度结果对比　cm

注:竖向挠度向上时为正值,向下时为负值．

表3　主梁CS5截面纵向应力结果对比 　MPa

注:纵向应力正值为拉应力,负值为压应力．

3试验

全桥范围内选取10个试验荷载效率控制部位,根据设计标准活载作用下的最不利效应值,按照荷载效率系数0.95～1.05换算得到各试验工况下的车辆布置．将12辆单车质量45t的三轴车作为加载车辆,车辆前、中、后轴质量分别为9,18,18t,车辆轮距及纵横向间距见图3(a)．静载试验分为11个工况进行．在边跨跨中及中跨跨中位置分别进行对称及偏心加载时,整体结构的受力情况相对不利,故本文选取这4种工况进行对比分析,对应的车辆加载位置描述见表4,加载车辆布置见图3(b)．

主梁中跨CS5截面静动载试验测点分布图见图4,其余8个截面的测点布置与此相同．加劲梁挠度测点及顶、底板应力测点用于考察车载作用下加劲梁变形及纵向应力沿横桥向的分布情况,采用全站仪测量加劲梁挠度,利用应变采集仪及施工监控期间预埋的振弦式应变计测试顶、底板应力;振动加速度及动挠度测点用于测试吊杆内力、主梁加速度及挠度的变化,采用东华DH5920动态测试系统测试加速度及动挠度;主塔偏移及塔底应力采用施工监控期间设置的观测棱镜及振弦应变仪进行测试．

(a) 车辆轮距及纵横向间距

(b) 加载车辆布置

图4　主梁CS5截面测点分布图(单位:m)

工况编号加载分析截面横向布置方式排列方式车辆起止位置对应的吊杆编号1-1中跨CS5截面对称加载4列3行17～211-2中跨CS5截面偏心加载2列6行14～242-1西边跨CS2截面对称加载4列3行2～62-2西边跨CS2截面偏心加载2列6行1～8

4静力特性分析

4.1结构总体变形

图5给出了中跨CS5截面在工况1-1和工况1-2车载作用下加劲梁竖向挠度的实测值及计算值．由图可知,对称车载作用下加劲梁实测最大挠度为-35mm,对应的挠度测点位置位于CS5截面中心处,且挠度沿横桥向呈V形变化,表明大桥对称性及整体刚度良好;偏心车载作用下,CS5截面上、下游挠度实测值分别为-14和-37mm,加劲梁扭转效应明显,说明偏载对超宽加劲梁扭转不利;加劲梁竖向挠度实测值与计算值较接近,表明计算模型较合理,可以准确地描述超宽加劲梁自锚式悬索桥整体的静力行为．

图6给出了西边跨CS2截面在工况2-1和工况2-2车载作用下加劲梁竖向挠度的实测值及计算值．由图可知,对称车载作用下加劲梁实测最大挠度为-12mm,对应的挠度测点位置位于CS2截面中心处,且挠度沿横桥向呈V形变化;偏心车载作用下,由于边跨的跨度及边界条件与中跨不同,加劲梁的扭转变形与工况1-2相比有所减弱,最大挠度仅为-8mm．

车载作用下东、西塔塔顶位移较对称,纵、横桥向位移最大值分别为12和15mm,且横桥向位移较为明显．由于设计吊点位置与箱梁截面剪力中心间存在横桥向偏位,成桥时塔顶横桥向最大位移已达25mm,故超宽主梁自锚式悬索桥运营期间主塔根部的受力状态健康监测值得关注．

(a) 加劲梁挠度纵桥向变化

(b) CS5截面挠度横桥向变化

4.2超宽箱梁纵向应力横桥向分布

图7为CS5截面和CS2截面在对称及偏心车载作用下加劲梁顶、底板纵向压应力增量沿横桥向的分布图．由图可知,各测点应力实测结果与计算结果吻合良好,车载作用下顶、底板纵向应力沿横桥向呈不均匀分布,对称车载作用下顶板纵向应力沿横桥向呈M形变化,最大纵向应力增量位于内腹板与顶、底板交接处,偏心车载作用下超宽加劲梁受力状态的空间效应明显．究其原因在于:① 剪力滞效应使得远离腹板的挑臂段顶板纵向应力增量小于靠近腹板的顶板应力增量;② 受加劲梁顶板横坡的影响,靠近道路中心线的顶板离加劲梁断面中性轴的距离较其他部位远,纵向应力增量较大;③ 车轮局部效应明显,偏心车载作用下车轮直接作用位置的顶板纵向应力明显大于其他部分;④ 底板虽无车载直接作用,但受腹板的传力作用,剪力滞及车轮局部应力效应也比较明显．

(a) 加劲梁挠度纵桥向变化

(b) CS2截面挠度横桥向变化

由表3和图7可知,在相当于设计汽车荷载水平的车载作用下,加劲梁中跨跨中截面的顶、底板纵向压应力储备满足要求．

4.3吊杆内力

采用人工激励振动法对吊杆受力相对不利的工况1-1和工况1-2(中跨跨中CS5截面对称及偏心加载工况)下的部分吊杆内力进行测试,恒载单独作用、恒载与车载共同作用下吊杆内力及增量的实测结果与计算结果对比见表5．由表可知,吊杆内力增量实测值与计算值基本吻合,车载作用产生的吊杆内力增量占恒载单独作用时吊杆内力的比例较小,最大仅为3.9%．工况1-1作用下南、北侧索面吊杆内力分布均匀,偏心车载直接作用下的南侧索面吊杆内力增量明显高于北侧,表明偏心车载作用下超宽加劲梁受力的空间效应使得缆索体系受力状态的不均匀性也较为明显．

(a) CS5截面,工况1-1

(b) CS5截面,工况1-2

(c) CS2截面,工况2-1

(d) CS2截面,工况2-2

表5　恒载及恒载与车载共同作用下的吊杆内力及其增量　 kN

5结论

1) 在相当于设计汽车荷载水平的车载作用下,结构整体变形及应力的计算结果与实测结果较为接近．对称车载作用下加劲梁边、中跨最大挠度分别为-12和-35mm,偏心车载作用下加劲梁边、中跨最大挠度分别为-8和-37mm,车载作用下截面的挠度沿横桥向变化明显,对称车载作用下呈V形变化,偏心车载作用下出现明显扭转变形,说明偏载对超宽加劲梁扭转不利．主塔塔顶纵、横桥向最大位移值分别为12和15mm,且横桥向位移较为明显,其根部受力状态值得关注．

2) 超宽加劲梁受力空间效应明显,顶、底板纵向应力沿横桥向呈不均匀分布．受剪力滞效应影响,远离腹板的挑臂段顶板纵向应力增量比靠近腹板的小;横坡使得靠近中心线的顶板离断面中性轴的距离较其他部位远,纵应力增量较大,对称车载作用下顶板纵向应力沿横桥向呈M形变化,底板受腹板传力作用,最大纵向应力增量位于内腹板与顶、底板交接处.

3) 超宽加劲梁的车轮局部效应明显,偏心车载作用下车轮直接作用位置的顶、底板纵向应力大于其他部分;超宽加劲梁的空间效应使得偏心车载作用时缆索体系受力状态的不均匀性更加显著,单向交通拥堵及重载车辆行驶侧较为固定时,超宽加劲梁偏心车载作用更为明显,吊杆受力状态值得关注．

4) 针对类似超宽混凝土箱梁自锚式悬索桥,在增加腹板倒角及横隔梁布置等既有优化设计方法的基础上,可以通过适当设置箱梁预拱度及增加体系转换完成后箱梁上抬量的方式,提高超宽箱梁在运营期间超重车载、高温作用及混凝土收缩徐变等因素影响下的受力性能．

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Staticcharacteristicsofself-anchoredsuspensionbridgewithsuperwideconcreteboxgirderundervehicleloads

ZhouGuangpan1LiAiqun1,2LiJianhui3DuanMaojun1

(1SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) (2BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China) (3SchoolofCivilEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

Abstract:To investigate the mechanic properties of the self-anchored suspension bridge with the super wide concrete girder under the vehicle loads, the global static characteristics as well as the longitudinal stress levels and the transverse distributions of the super wide girder were analyzed by the bridge load test and ANSYS finite element analysis. The results show that the transverse displacements of the towers are more obvious than the longitudinal displacements under the test load equivalent to the designed vehicle load level. Subjected to the shear lag effect, the cross slope and local effect of the wheels, the spatial effect of the super wide girder is obvious. The deflection of the girder along the transverse direction exhibits V-shaped change under the symmetrical vehicle loads, the maximum of which is 35 mm, and the torsion deformation under the biased vehicle loads is also obvious. The longitudinal stresses of the top and the bottom plates of the girder distribute unevenly along the transverse direction of the girder, and the maximum of the longitudinal stress increments are located in the junctions of the inner web and the top and bottom plates. The longitudinal stress increment of the top plate shows M-shaped change under the symmetrical vehicle loads. The unevenness of the force state between the two cable surfaces is obvious under the biased vehicle loads due to the spatial effect of the super wide girder.

Key words:self-anchored suspension bridge; super wide concrete stiffening girder; finite element method; static characteristics; load test

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.020

收稿日期:2015-08-31.

作者简介:周广盼(1989—)，男，博士生；李爱群(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，aiqunli@seu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278104)、江苏省交通运输科学研究计划资助项目(2011Y03).

中图分类号:U448.25; U445

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0578-06

引用本文: 周广盼,李爱群,李建慧,等.车载作用下超宽混凝土箱梁自锚式悬索桥静力特性[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):578-583.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.020.