自锚式悬索桥分部位校验系数合理取值研究

王 通，杨 康，王毓晋，郑招仁

(1.浙江舟山北向大通道有限公司，浙江 舟山 316000； 2.中交二航局第四工程有限公司，安徽 芜湖 241000；3.宁波交通工程建设集团有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

自锚式悬索桥不同于传统的梁桥，也有别于地锚式悬索桥，其结构更复杂，不同构件所受荷载的形式也不同，若单纯采用某一构件的校验系数对结构整体做出评价显然不合理[1]。目前，规范中并未针对自锚式悬索桥这种桥型给出精确的校验系数取值范围。基于国内多座自锚式悬索桥荷载试验数据，主要包括主梁应变、挠度校验系数、吊索索力校验系数、塔顶偏位及塔底应变校验系数，对其合理取值进行研究，借助Minitab对各部位构件校验系数取值范围合理分类，事实上是对规范进行细化及验证，为后续该桥型总体评价提供借鉴。

1 现有评定方法

结构校验系数是指试验荷载下结构应变(应变)或变形的实测值与理论计算值的比值，用符号η表示。校验系数是评价桥梁承载力的重要指标，针对不同桥型、不同部位校验系数取值范围也不同。一般地，当η≤1表明结构承载力满足规范要求，工作性能较好；当η>1表明工作状态不理想，承载力不足。校验系数越小，结构安全储备越大；反之，结构的危险系数也越高，JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》给出常见桥型校验系数常值[2]，如表1所示。

表1 不同桥型校验系数常值

2 分部位校验系数研究意义

本文主要对钢主梁、塔柱、缆索三大构件校验系数进行合理取值分析。基于文献及相关荷载试验报告数据，借助统计学软件Minitab对主梁应变、挠度校验系数、塔顶偏位及塔底应变校验系数、主缆拉力测试及吊索索力校验系数进行95%置信区间的正态分布检验。开展自锚式悬索桥分部位校验系数合理取值研究有如下几点意义[3-4]：①不同构件受力不同，吊索承受拉力，主梁主要承受弯矩与轴力；②不同构件所用材料不同，塔柱一般为混凝土结构，主梁和缆索多为钢材；③不同构件采用的测试仪器及方法不同；④建立A(优)、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)更细致、合理的评价标准意义重大。

3 分部位校验系数

3.1 钢主梁构件校验系数

本文基于国内多座自锚式悬索桥荷载试验资料，随机选出钢主梁应变校验系数180组样本，考虑篇幅仅列出100组样本(见表2)，借助Minitab对数据统计分析[5]，为主梁应变校验系数服从95%置信区间的概率分布如图1所示，主梁校验系数统计分析如图2所示。

表2 自锚式悬索桥钢主梁应变校验系数样本

图1 主梁应变校验系数概率分布

图2 主梁应变校验系数统计分析

本文规定样本均值在95%置信区间0.79～0.83为工作最佳[6]，为A类；校验系数为1表示实测值等于理论值，承载力满足规范的上限值，当校验系数在0.83～1.00规定为C类；因为校验系数服从正态分布，则主梁应变校验系数下线为0.79-0.17=0.62，规定0.62～0.79为B类；当校验系数>1认为结构承载力不足，规定为E；当校验系数过小，认为结构安全系数过高，经济性差，规定0～0.62为D类[7]。

随机抽取了100组钢主梁挠度校验系数样本，如表3所示。借助Minitab软件对数据进行概率统计，主梁挠度校验系数概率图如图3所示，钢主梁挠度校验系数统计如图4所示。

表3 自锚式悬索桥钢主梁挠度校验系数样本

图3 主梁挠度校验系数概率分布

图4 主梁挠度校验系数统计分析

本文规定样本均值在95%置信区间0.81～0.86为主梁工作最佳，为A类；校验系数为1表示实测值等于理论值，承载力满足规范的上限值，规定0.86～1.00为C类；因校验系数服从正态分布，则主梁挠度校验系数下限为0.81-0.14=0.67，规定0.67～0.81为B类；当校验系数>1认为结构承载力不足，规定为E类；当校验系数过小，认为结构承载力过大，安全系数过高，经济性差，规定0～0.67为D类。

3.2 缆索构件的校验系数

随机抽取100组自锚式悬索桥吊索索力增量校验系数样本，如表4所示。借助Minitab软件对数据进行统计，吊索索力增量校验系数概率分布如图5所示，吊索索力增量校验系数统计分析如图6所示。

表4 自锚式悬索桥吊索索力增量校验系数样本

图5 索力增量校验系数概率分布

图6 索力增量校验系数统计分析

本文规定样本均值在95%置信区间0.80～0.85为工作最佳，为A类；校验系数为1表示承载力满足规范的上限值，规定0.85～1.00为C类；因校验系数服从正态分布，则吊索索力校验系数下限值为0.80-0.15=0.65，规定0.65～0.80为B类；当校验系数>1认为结构承载力不足，规定为E类；当校验系数过小，认为结构承载力过大，安全系数过高，经济性差，规定0～0.65为D类。

主缆内力增量的测试一般在锚跨中心索股处预埋压力传感器[8]，本文随机抽取70组自锚式悬索桥主缆内力增量校验系数样本，如表5所示，主缆内力增量校验系数概率分布如图7所示，主缆内力增量校验系数统计分析如图8所示。

表5 自锚式悬索桥主缆内力增量校验系数样本

图7 主缆内力增量校验系数概率分布

图8 主缆内力增量校验系数统计分析

本文认为样本均值在95%置信区间0.78～0.84为工作最佳，规定为A类；校验系数为1表示实测值等于理论值，承载力满足规范的上限值，规定0.87～1.00为C类；因校验系数服从正态分布，则主缆内力增量校验系数下限为0.78-0.13=0.65，规定0.65～0.78为B类；当校验系数>1认为结构承载力不足，规定为E类；当校验系数过小，认为结构承载力过大，安全系数过高，经济性差，规定0～0.65为D类。

3.3 主塔构件的校验系数

随机抽取70组塔顶偏位校验系数样本，如表6所示。借助Minitab软件对数据进行统计，塔顶偏位校验系数概率分布如图9所示，塔顶偏位校验系数统计分析如图10所示。

表6 自锚式悬索桥塔顶偏位校验系数样本

图9 塔顶偏位校验系数概率分布

图10 塔顶偏位校验系数统计分析

本文认为样本均值在95%置信区间0.67～0.75为工作最佳，规定为A类；校验系数为1表示实测值等于理论值[9]，规定0.75～1.00为C类；因校验系数服从正态分布，下限值为0.67-0.25=0.42，规定0.42～0.67为B类；当校验系数>1，认为结构承载力不足，规定为E类；当校验系数过小，认为结构承载力过大，安全系数过高，经济性差，规定0～0.42为D类。

基于上述分析对主梁、主塔、缆索三大构件进行校验系数统计分析，建立了A(优)、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)较为细致、合理的评价标准，如表8所示。

表8 自锚式悬索桥分部位校验系数合理取值分类

4 结语

本文基于国内多座自锚式悬索桥荷载试验及相关文献，借助统计学原理开展了主梁、主塔、缆索三大构件的校验系数合理取值研究，对主梁应变(应力)、主梁挠度、吊索索力增量、主缆内力增量、塔顶偏位及塔底应变(应力)校验系数取值范围进行分析，主要以承载力、经济性指标及统计学规律等相关要求，建立了A(优)、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)较为细致、合理的评价标准。

本文认为样本均值在95%置信区间0.70～0.75为工作最佳，规定为A类；考虑到校验系数为1满足规范的上限值，规定0.75～1.00为C类；因校验系数服从正态分布，则塔顶偏位校验系数下限为0.70-0.25=0.45，规定0.45～0.70为B类；当校验系数>1认为结构承载力不足，规定为E类；当校验系数过小，认为结构承载力过大，安全系数过高，提高了建造成本，规定0～0.45为D类。

随机抽70组自锚式悬索桥塔底应变校验系数样本，如表7所示。借助Minitab软件对数据进行统计分析，塔底应变校验系数概率分布如图11所示，塔底应变校验系数统计分析如图12所示。

表7 自锚式悬索桥塔底应变校验系数样本

图11 塔底应变校验系数概率分布

图12 塔底应变校验系数统计分析