大跨径钢桁梁悬索桥静力分析与荷载试验研究

万　钰， 徐　朔， 冯　星

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015)



大跨径钢桁梁悬索桥静力分析与荷载试验研究

万钰， 徐朔， 冯星

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015)

摘要：张花高速公路澧水特大桥为单跨858 m钢桁梁悬索桥，为检验大桥成桥状态的受力特性、施工质量和安全性能，采用了有限元理论分析与现场荷载试验两个方法对大桥的合理状态进行了验证，并通过将现场实测值与理论分析结果进行了对比分析。研究结果显示：实测变形与理论变形在数值十分接近，且结构整体变形规律一致，说明结构数值模型准确模拟了大桥成桥后的受力状态，对评估其受力性能具有较高的可靠性；此外，静力试验加载效率系数介于0.95～0.97之间，设计的试验荷载能够等代汽车荷载，各测点实测变形值均小于理论计算值；变形校验系数介于0.82～1.00之间，且相对残余变形值较小，表明汽车荷载作用下桥梁处于弹性状态，结论对同类型桥梁的设计和施工具有指导意义。

关键词：悬索桥； 钢桁梁； 静力试验； 变形测试

在实际工作中，由于各种因素的影响，施工过程中各阶段结构实际状态不可避免的偏离实际状态，为检验实体结构的施工质量，了解实际结构受力特性，掌握结构运营期间的使用性能，通过静载试验观测结构的变形响应是比较直观和可靠的手段之一。特别是特大跨径钢桁梁悬索桥在我国的实际工程应用并不多，但随着西部大开发的推进，该类桥梁被证明适合于跨越西部山区的峡谷，如矮寨大桥[1]、澧水大桥[2]等。而关于如何检验该类大跨钢桁梁悬索桥的全理成桥状态的研究并不多。

本文以澧水大桥[3]为依托，对大跨径钢桁梁悬索桥成桥后受力特性进行有限元模拟分析，介绍结构变形的观测方法和测试内容，并结合该桥的静载试验成果，对该桥的结构变形测试结果进行分析和评价，为该类桥梁的力学性能分析，静力荷载作用下的结构变形控制提供参考，以及该类型桥梁后期运营养护提供技术支撑，同时，对同类型的其它桥梁的设计和施工具有指导意义。

1工程背景

澧水大桥为张家界至花垣高速公路上的一座简支钢桁梁地锚式特大悬索桥，大桥主缆跨径布置为200 m+858 m+190 m，中跨主缆垂跨比为1/10，上下游主缆中心相间28 m。全桥吊索共69对，吊索标准间距为12 m，端吊索至索塔中心线的距离为20 m，端吊索公称直径64 mm，其余吊索公称直径为56 mm。钢桁梁全长854 m，桁高6.5 m，桁宽28 m。钢桁梁标准节间长度6 m，一个标准节段长度12 m。索塔均采用双柱门式框架结构，张家界岸索塔高137.488 m，花垣岸索塔高123.192 m。澧水大桥按双向四车道高速公路标准设计，设计荷载标准为公路—I级，设计车速为80 km/h。大桥立面与平面布置如图1所示。

图1　澧水大桥立面与平面图(单位： cm)

2悬索桥有限元建模

2.1悬索桥结构特点

移动荷载及其它外加荷载作用下，悬索桥结构受力按刚度进行分配，体现为结构的变位。大跨悬索桥属于非线性几何可变体，其主缆主要承受张力，在恒载作用下具有很大的初始张拉力，可抵抗活载引起的变形，为结构变形提供强大的重力刚度。悬索桥施工过程中，结构呈现几何非线性的受力的特点，然而成桥运营状态，活载引起的结构变形与所受荷载基本上呈线性关系[4]。

2.2有限元建模与影响线

通过‘等代’荷载计算原则，按桥梁控制截面的挠度影响线进行加载，确定设计汽车荷载作用下等效试验荷载的加载吨位及加载位置。采用计算软件MIDAS/Civil2010建立澧水大桥主桥结构的空间模型，模型中索塔、横梁及加劲梁采用梁单元模拟，主缆和吊索采用只受拉不受压的索单元模拟，通过集中质量把桥面系质量分布于桥面节点，桥面铺装的重量计入桥面板的密度中，桥墩底部及主缆锚固采用固结约束 ，因该桥为半漂浮体系，所以钢桁梁端部只约束横向，模拟横向抗风支座。全桥模型共6 035个节点，9 935个单元。有限元模型见图2。大桥最不利截面变位影响线如图3。

图2　澧水大桥有限元模型

图3　澧水大桥变位影响线

3现场变形测试

3.1测试内容和测点布置

本次静力荷载试验主要测试主缆与钢桁梁挠度、索塔塔顶纵向偏位和钢桁梁纵向漂移。结构竖向挠度测点布置在钢桁梁与主缆上下游两侧，边跨按2等分点布置，主跨按8等分点布置，共44个测点，如图4所示。结构纵向位移测点按上下游分别布置在两索塔塔柱顶端和钢桁梁两端，共8个测点，结构横断面测点布置如图5所示。

图4　索塔、主缆和钢桁梁变形测点布置(单位： cm)

图5　变形测点横断面布置

3.2测试方法

钢桁梁挠度、主缆挠度及索塔塔顶纵向变位测试均采用徕卡TS30(测角精度为±0.5″，测距标准差为1 mm+1×10-6)全站仪进行极坐标和三角高程四测回观测。钢桁梁两端的纵向漂移采用大量程游标卡尺(量程为500 mm，精度为0.02 mm)进行观测，测点布置在钢桁梁两端抗风支座支承中心线上，上、下游各布置1个测点，两端共4个测点。为便于试验过程中提高测试效率和测试精度，在施工控制坐标网中选取4个观测站对结构变位进行观测，1#观测站负责上游侧主缆及钢桁梁挠度的18个测点，2#观测站负责下游侧主缆及钢桁梁挠度的18个测点，3#观测站负责张家界侧索塔塔顶纵向变位的2个测点及张家界侧边跨上下游侧主缆的4个测点，4#观测站负责花垣侧索塔塔顶纵向变位的2个测点及花垣侧边跨上下游侧主缆的4个测点，如图6所示。

图6　全站仪观测站布置示意(单位： m)

4静载试验分析

4.1试验工况分析

根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》和《公路桥梁承载能力评定规范》建议，静力荷载试验的效率系数η应介于0.80～1.05之间。对部分试验工况进行必要的合并，尽量将试验车辆安排在同一载位，以减少试验车辆移动的次数[5]。

本次试验加载车均为双后轴载重车，如图7所示。单辆试验车总重约为400 kN，前轴与中轴标准距离为B=3.6 m，中轴与后轴的标准距离为A=1.4 m，前轴横向标准轮距为D=1.8 m，前轴、中轴与后轴重量分配比例约为2∶3∶3。

图7　试验车辆

本次静力荷载试验设计3个结构变位试验工况，3个试验工况加载效率系数均介于0.80～1.05之间，各工况加载车数量及加载效率系数如表1所示，各工况载位布置如图8所示。

表1 主要测试截面试验荷载效率系数工况号测试内容车辆数量总重/kN设计计算值/m加载计算值/m荷载效率系数ηⅠ1/2跨主缆挠度正载5623711-1.158-1.1000.95Ⅱ1/4跨主缆挠度正载2811760-1.376-1.3350.97Ⅲ1/4跨主缆挠度偏载2611050-1.065-1.0120.95

图8　试验加载载位布置(单位： m)

4.2试验结果分析

本次试验在11月份进行，试验期间为阴天，静风环境，且温度变化幅度仅为2 ℃，在整体温变小于4 ℃时，可以忽略温度变化对结构变位的影响[4]，限于篇幅，本文仅对工况I的试验结果及3个工况荷载作用下钢桁梁竖向挠度测点测试结果进行介绍与分析。工况I试验荷载作用下，结构最不利截面变位测试结果如表2所示，结构最不利截面变位与荷载关系曲线如图9所示。

在试验荷载作用下，结构变位实测值与计算值基本一致，且主缆及钢桁梁挠度与索塔塔顶偏位校验系数接近1.00，说明结构计算模型受力特性与实际结构一致。结构变位实测值与理论值偏差较小，且规律一致，变位值与荷载呈线性关系，且变位残余值较小，该结果说明澧水大桥主体结构施工质量良好，在设计荷载作用下，结构处于弹性工作状态，其强度和刚度达到设计的要求。

静力荷载试验中，通过观测钢桁梁线型的变化可以检验结构的整体受力性能及施工质量[6]。在纵向对称与反对称荷载作用下，钢桁梁线型变化一致，对应测点挠度差值较小，相对钢桁梁挠度变形值可以忽略，横向无扭转现象，且纵桥向呈现明显的对称与反对称特性。在横向偏载作用下，钢桁梁线型变化趋势一致，但上游侧钢桁梁控制点实测竖向挠度明显大于下游侧钢桁梁挠度，对应点挠度最大差值为264 mm，横向呈现明显的扭转现象。在工况I与工况II横向对称荷载作用下，通过钢桁梁挠度反映出的偏载系数接近于1，与理论情况十分吻合，在工况III横向偏心荷载作用下，L/4截面的偏载系数为1.152，与该截面模型计算偏载系数1.151一致。以上试验结果及现象再次说明了结构实际受力状态与计算模型的受力状态十分吻合，钢桁梁线型变化合理，桥面结构的横向传力性能良好。以上3个静力荷载试验工况，均给出了钢桁梁线型变化的对比图型，如图10所示。

钢桁梁最不利截面挠度数据对比如表3所示。

表2 工况I静力试验结果工况号测点位置实测值/m计算值/m校验系数/m最大变位值/m残余值/m相对残余值/%I1/2跨主缆挠度上游-1.098-1.1001.00-1.127-0.0293下游-1.089-1.1000.99-1.108-0.01921/2跨钢桁梁挠度上游-1.095-1.1001.00-1.107-0.0121下游-1.097-1.1001.00-1.107-0.0101张家界侧钢桁梁纵向飘移上游0.2000.2200.910.2100.0105下游0.1900.2200.860.1990.0095花垣侧钢桁梁纵向飘移上游-0.190-0.2200.86-0.201-0.0115下游-0.180-0.2200.82-0.192-0.0126张家界侧索塔塔顶纵向变位值上游0.0580.0680.850.0600.0023下游0.0670.0680.990.0670.0000花垣侧索塔塔顶纵向变位值上游-0.066-0.0680.97-0.069-0.0034下游-0.067-0.0680.99-0.069-0.0023 注:挠度向下为“-”,向上为“+”;纵向变位向花垣方向为“+”,向张家界方向为“-”。

图9　变位与荷载关系曲线

图10　工况I、II、III荷载作用下钢桁梁竖向挠度对比　　　图形

表3 钢桁梁最不利截面挠度数据对比结果工况测点位置挠度实测值/mm挠度理论值/mm上游下游上游下游上游实测-下游实测/mm上游理论-下游理论/mm偏载增大系数实测理论工况IL/2-1098-1089-1100-1100-901.0041.000工况IIL/4-1308-1320-1335-13351201.0051.000工况IIIL/4-735-999-746-10122642661.1521.151

5结论

本文介绍了澧水大桥成桥静力试验荷载作用下，结构的变形情况，并对试验测试结果进行了介绍与分析。静载试验结果与理论计算值基本一致，加载效率系数满足规范要求，变位校验系数满足要求，残余变形较小，表明成桥后澧水大桥承载能力满足设计要求，设计汽车活载引起的结构变形与所受荷载基本上处于线性变化关系阶段，结构处于弹性受力状态，结构施工质量控制较好。

参考文献：

[1] 胡建华，崔剑峰.湘西矮寨大桥设计创新技术[J].桥梁建设，2011(6)：54-61.

[2] 程丽娟，李瑜，朱朝银.澧水大跨度悬索桥结构设计及受力分析[J].公路工程，2011，36(2)：111-114.

[3] 湖南省交通科学研究院.张花高速澧水大桥荷载试验报告[R].2013.

[4] 柯红军，李传习，刘建.平胜大桥自锚式悬索桥静载试验与评价[J].公路交通科技，2009，26(2)：53-59.

[5] 许汉铮，黄平明，杨炳成.大跨径悬索桥静载试验研究[J].公路，2003(9)：1-6.

[6] 张劲泉，赵仲华，花迎春.虎门悬索桥交工验收静力荷载试验与评价[J].公路交通科技，2000(5)：31-34.

文章编号：1008-844X(2016)02-0155-05

收稿日期:2016-05-16

作者简介:万钰( 1989-) ，女，主要从事路桥试验检测及相关管理工作。

中图分类号：U 446

文献标识码：A