大跨度斜拉桥索塔节段足尺模型试验研究

虞奇 李靖 聂磊鑫 刘韶辉

摘  要：文章以唐山二环路上跨津山铁路等既有铁路立交桥转体斜拉桥为工程背景，通过索塔节段锚固区足尺模型试验，研究了索塔锚固区的受力性能及应力分布规律，观察关键测点的应力应变及模型变形情况，对索塔锚固区的承载能力作出评价。得到的结论对指导实际工程有重要意义。

关键词：斜拉桥;索塔锚固区;足尺模型试验

中图分类号：U446          文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）19-0001-05

Abstract： Based on the engineering background of Tangshan Second Ring Road， Jinshan Railway and other existing railway overpasses， this paper studies the mechanical performance and stress distribution law of the cable-pylon anchorage zone. The stress and strain of key measuring points and the cracking and deformation of the model are observed through the full-size model test of the cable-pylon anchorage zone. The bearing capacity of the cable-pylon anchorage zone is evaluated. The conclusions obtained are of great significance to guide the actual project.

Keywords： cable-stayed bridge; cable-pylon anchorage zone; test of full-size model

1 试验模型设计及制作

1.1 试验模型设计依据

采用有限元软件MIDAS/CIVIL建立全桥空间静力模型，计算模型如下图1所示。加劲梁、混凝土主塔、承台采用梁单元，斜拉索采用桁架单元。加劲梁采用单主梁模型，支座均采用抗震支座，斜拉索与主梁、主塔之间采用刚性连接，根据《公路桥涵设计通用规范》[1]关于荷载组合的规定施加相应荷载。

根据计算结果，靠近索塔顶部的第16对拉索表现出最大索力，最大索力为3409.5kN。结合该桥布索形式发现，16号对索与斜拉桥的水平夹角最小，對拉索分配给索塔水平方向的力也最大，从而使拉索影响区域内的索塔的腹壁承受更大的荷载。因此，索塔节段足尺模型试验选用第16对拉索所在的节段进行试验研究。节段模型完全按照设计图纸加工，为方便加载，模型倒置[2-4]。

1.2 试验模型制作

模型在实桥现场浇筑制作1：1足尺模型，共包含8束环向预应力筋（4束N1、4束N2），全部预力筋采用符合GB5224标准的φs15.2mm钢绞线，其标准强度fpk=1860MPa，弹性模量E=1.95×105MPa，以内径为120mm的塑料波纹管形成预应力孔道，模型混凝土强度等级为C55。模型制作场地平整夯实，浇筑10公分混凝土地板，并铺盖一层薄钢板上铺油毡以此消除模型底部的摩擦力，模型倒置。

1.3 模型变形测点布置

为了能够更好地探究混凝土内部的应力规律，在模型内部预埋13支BGK-4210型振弦式应变计。在模型表面安设32支百分表测试模型的变形及位移情况。振弦式应变计布置如图2所示。

1.4 加载过程

为保证试验精度，荷载以千斤顶油表读数为控制。试验模型加载示意图如图3所示。采用HBM-1-MX1615B数据采集系统，能够更加精确的记录试验过程中的数据，反映模型最真实的受力情况。按照测点应变片的数量设置对应的温度补偿片确保试验数据更加准确[8-10]。加载过程分预应力张拉和索力加载两个阶段，索力加载分两次进行：

（1）以正常工作索力（3400kN）为加载目标，为确保加载力均匀，将3400kN分为5个加载等级，每一级加载之后需要保持荷载15分钟，确保索力准确的传递给索塔模型，在此期间观察模型应力情况。此加载节段重复进行三次。分级情况如下：0kN→700kN→1400kN→2100kN→2800kN→3400kN→ 2100kN→1400kN→700kN→0kN;

（2）在正常工作索力加载之后继续增大索力，直至

9000kN，试验时在加载到正常工作索力后，按500kN进行分级加载，每级荷载持荷10分钟，并观察应变、整体变形，当试件出现大范围开裂时，试验须停止。分级情况如下：0kN→3400kN→4000kN→4500kN→5000kN→5500kN→6000kN…至9000kN。加载完成后，模型锚固区外侧裂缝情况如图4所示。

2 试验结果分析

2.1 正常工作索力测点应力结果及分析

图5和6分别为索塔节段模型锚固区腹板外侧和内侧部分测点在正常工作索力作用下的应力分布，除个别测点外，测点应力增量随荷载增加基本呈线性增长，表明模型锚固区腹板在整个应力加载过程中一直处于弹性工作状态，具有足够的承载能力。不同于锚固区外侧测点，腹板内侧拐角处的测点承受较小的拉应力，测点应力增量最大为0.86MPa;中间位置的测点受到千斤顶传递过来的索力作用，压应力逐渐增大，齿块附近测点受到齿块的保护，测点应力变化较小，与外侧索管口对应位置的测点压应力增量较大，最大为-3.217MPa。模型在锚固区腹板上表现出压弯受力状态，腹板内侧受压，腹板外侧受拉。

图7和8分别为索塔节段模型非锚固区腹板外侧和内侧部分测点在正常工作索力作用下的应力分布，大部分测点应力增量随荷载增加基本呈线性增长，个别测点有较小的应力突变，应为混凝土表面裂缝所致，模型非锚固区腹板在整个应力加载过程中始终处于弹性工作状态。腹板外侧测点主要承受压应力，应力大小呈十字形分布，越靠近模型中间位置，测点压应力增量越大，最大为-3.23MPa;不同于腹板外侧测点普遍受压，内侧测点基本上都表现出受拉状态，测点在齿块与腹板交接处有较大的拉应力，为7.26MPa，下方位置测点拉应力大于上方测点，类似于锚固区腹板，非锚固区腹板处于一种拉弯工作状态，非锚固区腹板内侧受拉，外侧受压。

2.2 9000kN超载索力测点应力结果及分析

图9 S位置左侧部分测点应力增量分布曲线图

由图9可知，在9000kN超载索力作用下，索塔节段模型锚固区腹板外侧测点普遍承受了较大拉应力;位于腹板上侧如S-L-2、S-L-7测点的拉应力增量表现出较好的线性关系，表明该部分测点处于正常受力状态;S-L-6和S-L-8等测点在7000kN加载力前处于线性增长阶段，应力增量在9MPa左右;当荷载增大到7500kN时该部分测点产生应力突变的现象，混凝土材料表现出非线性发展。观察试验模型，发现测点处确实有裂纹产生，测试结果与试验现象基本一致。由图10可知，锚固区腹板内侧测点随位置的不同，表现出不同的受力状态;在模型拐角处，测点主要承受拉应力，在齿块上侧测点主要承受压应力，且随荷载增大而增大;S′-3等部分测点在6000kN加载力前处于线性增长阶段，应力增量在3MPa左右，当荷载增大到6500kN时该部分测点出现应力突变的现象，表明这些测点已经开裂;S′-9、S′-10等部分测点的应力在7500kN时应力增量急剧增大，表明该处测点已达到抗压能力极限状态，即将开裂。锚固区腹板关键部位测点基本以7500kN为界表现出开裂现象，但模型仍然能够正常受力，证明模型有足夠的安全储备。

图11可知，在9000kN超载索力作用下，索塔节段模型非锚固区腹板外侧的中间位置普遍承受了较大的压应力;荷载加载至8000kN时，除个别测点外，测点的压应力增量均表现出较好的线性关系，表明该部分测点处于正常受力状态。继续加载发现部分测点的应力增量急剧增大，尤其是靠近模型下方测点，观察模型发现底部已产生多条裂纹，并表现出向上蔓延的趋势，表明模型底部已到达承载能力极限状态。位于两侧的测点普遍承受拉应力，当荷载达到7500kN时，大部分测点表现出应力衰减，表明测点位置即将破坏。图12可知，不同于腹板外侧测点，在9000kN超载索力作用下，非锚固区腹板内侧测点普遍承受了较大的拉应力。大部分测点在6500kN荷载前表现出较好的线性关系，模型工作状态良好。在6500kN之后测点逐渐表现出应力下降状态，观察模型内侧发现该处已产生部分细微裂缝，尤其是靠近齿块交界位置，测点即将破坏。

2.3 模型变形

图13和图14为索塔节段模型在9000kN超载索力作用下腹板的挠度变形图。锚固区腹板在索力作用下表现为外凸变形，腹板左右两侧变形量较为对称，表明索力加载受力方向比较准确;在腹板边缘位置变形量较小，为0.4mm左右，靠近索管口，腹板变形越大，变形为0.65mm左右，结合测点应力结果，锚固区腹板处于一种弯剪受力状态。类似于锚固区腹板变形，非锚固腹板在整个截面的变形较为对称，但是不同于锚固区腹板的外凸，表现为内凹变形状态，同样腹板边缘两侧相对于腹板中间变形偏小，仅为-0.21mm，腹板中间位置变形量最大，为-0.43mm，结合测点应力结果，非锚固区腹板处于一种拉弯状态。

3 结论

本文结合唐山二环线斜拉桥背景介绍了索塔锚固区节段足尺模型试验内容，包括索塔节段模型的设计制作、模型箱壁表面应力应变的测点布置以及索塔节段模型静载试验，通过以上研究，可以得到以下结论：

（1）正常工作索力作用下，索塔节段模型测点应力增量随荷载增加成线性增长，表明模型整个应力加载过程中一直处于弹性工作状态，具有足够的承载能力。锚固区腹板处于压弯状态，腹板外侧受拉，腹板内侧受压;非锚固区腹板受力与之相反，处于拉弯受力状态，腹板内侧受拉，腹板外侧受压。

（2）索塔节段模型在超载索力荷载作用下，非锚固区腹板会先于锚固区腹板开裂。以混凝士达到抗拉强度标准值时的斜拉索索力作为开裂荷载，索塔节段模型锚固区腹板开裂荷载为7500kN左右;索塔节段模型非锚固区腹板开裂荷载为6500kN左右。索塔节段模型有足够的承载安全储备，模型设计合理。

（3）索塔节段模型在9000kN索力荷载作用下，锚固区腹板表现为外凸变形，腹板边缘位置变形量较小，越靠近索管口，腹板变形越大;非锚固腹板在整个截面表现为内凹变形状态，与锚固区腹板相似，腹板两边边缘位置变形量较小，腹板中间位置变形量最大。这与索塔节段模型上测点的应力结果相一致。

参考文献：

[1]中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵设计通用规范[M].人民交通出版社股份有限公司，2015.

[2]张望喜，易伟建，陈建阳，等.武汉军山长江公路大桥索塔锚固区带锚块足尺节段模型试验研究[J].中机信息，2001（4）：33-35.

[3]李立峰，邵旭东，曾田胜.斜拉桥小尺寸预应力索塔的布束设计及试验研究[J].公路，2000（10）：1-3.

[4]严少波，裴丙志.斜拉桥索塔拉索锚固区空间应力分析模型[J].中外公路，2000（3）：22-24.

[5]韩富庆，杨成斌，娄建，等.安庆长江公路大桥索塔锚固区受力分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2002，25（6）：1167-1170.

[6]欧庆保，王强.润扬长江公路大桥北汊斜拉桥索塔锚固区足尺模型试验：中国公路学会桥梁和结构工程学会2003年全国桥梁学术会议[Z].中国成都：2003.

[7]何锋.大跨度斜拉桥索塔锚固区受力性能研究[D].西南交通大学，2014.

[8]唐红元.斜拉桥预应力混凝土索塔关键问题研究[D].东南大学，2006.

[9]马旭涛.上海长江大桥索塔锚固区模型试验与分析研究[D].同济大学，2007.

[10]赵基达，刘立新，邱洪兴，等.混凝土结构设计规范（GB50010-2010）[J].建设科技，2015（10）：28-30.