鰲江四橋關鍵技術試驗研究

張紅星，陳小剛，劉德寶

（浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

鰲江四橋關鍵技術試驗研究

張紅星，陳小剛，劉德寶

（浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

鰲江四橋主橋為130 m+150 m的獨塔雙索面鋼混組合梁斜拉橋。通過模型試驗研究了組合梁剪力滯效應和索梁錨固構造疲勞性能兩個關鍵技術問題，得出組合梁剪力滯系數，驗證了索梁錨固結構在疲勞荷載作用下的安全性，可為橋梁設計提供參考。

鋼混組合梁；剪力滯；疲勞

1　概述

1.1橋梁概況

鰲江四橋地處溫州市鰲江鎮和龍港鎮之間，位于浙江八大水系之一鰲江入?？谀习?。道路等級為城市主干路，設計速度50 km/h，橋梁設計荷載為城—A。通航等級：海輪300 t級，通航凈空高度12.5 m，凈寬單孔雙向100 m。

主橋為130 m+150 m獨塔組合梁斜拉橋，塔梁固結，邊墩設置順橋向滑動支座。橋塔為鉆石形，塔高99.4 m，斜拉索為空間雙索面、密索體系，見圖1。

主梁為鋼混組合結構，橫向設兩片鋼縱梁，中心間距25.5 m，梁高2.8 m，順橋向每4m設置一道鋼橫梁，縱梁、橫梁、懸臂梁均采用工字型截面。主梁標準段長度8 m，寬度39 m，兩側各設置一道1.0 m寬風嘴。斜拉索采用標準強度fpk=1 860 MPa鋼絞線，兩端分別通過鋼錨梁和錨拉板錨固在橋塔和鋼縱梁上，見圖2。

1.2研究內容

主橋采用鋼混組合梁，在斜拉索水平分力和自重、二期恒載、活載產生的彎矩共同作用下，翼緣寬而薄的混凝土橋面板中彎曲應力沿腹板中心線兩側的橫向分布很不均勻，引起橋面板的剪力滯后?，F行規范中關于組合梁混凝土板有效寬度的規定主要適用于承受豎直荷載的剛性支承結構體系，而斜拉橋主梁具有多點彈性支承，承受壓、彎荷載共同作用，受力模式與承受豎向荷載的梁式橋不同，因此有必要對斜拉橋組合梁橋面板剪力滯后問題進行研究，以得出構件真實應力分布狀況。

主橋斜拉索采用錨拉板錨固在工字形縱梁上，錨固區結構復雜，焊縫立體交錯，應力分布不均，且車輛動荷載作用下索力變化引起的疲勞問題比較突出，錨固結構可靠與否直接關系到主橋的安全性和耐久性。

因此將鋼混組合梁橋面板剪力滯效應和索梁錨固結構疲勞性能作為鰲江四橋關鍵技術問題加以研究。

2　鋼混組合梁橋面板剪力滯效應研究

2.1研究方法

以鋼混組合梁縮尺模型試驗為主，采用空間有限元程序理論分析對試驗結果進行驗證，見圖3。

2.2縮尺模型試驗

2.2.1試驗模型

選擇成橋時主梁軸力和剪力較大的梁段（斜拉索MC0-MC3之間的節段，拉索編號見圖1）進行縮尺模型試驗。

縮尺模型比例為1:5，一端錨固于反力墻上，一端自由。恒載根據縮尺模型試驗的相似原則確定；活載按縮尺模型端部剪力等效原則確定，橫橋向設置2個對稱加載點，采用千斤頂加載模擬。

2.2.2加載工況

模型試驗加載過程分為以下三個工況逐步進行：工況1加載主梁一期恒載，工況2加載二期恒載，工況3對稱加載集中力模擬活載。

2.2.3測點布置

由于試驗模型邊界條件與實際主梁并不一致，為減少其影響，選取離模型錨固端及自由端較遠的A-A、B-B、C-C、D-D四個測試斷面，每個測試斷面以主梁中心線為對稱軸，頂、底板各布置40個測點，頂板與底板測點平面位置對應，見圖4。

圖1　鰲江四橋主橋總體布置圖（單位：m）

圖2　主梁標準橫斷面圖（單位：m）

圖3　鋼混組合梁縮尺模型

2.3有限元程序理論計算

采用通用軟件MSC.MARC對縮尺模型相應的實橋節段進行有限元分析，鋼板均采用殼單元模擬，橋面板采用實體單元模擬，節段有限元模型見圖5。

節段有限元模型邊界條件為主梁錨固端、斜拉索塔上錨固點固接。從全橋總體桿系計算模型中提取斜拉索索力及節段端部主梁內力，施加于節段有限元模型中。

圖5　鋼混組合梁有限元模型

2.4結果對比分析

2.4.1主梁應力分布

工況1～3主梁各測試斷面頂、底板應力的試驗結果與有限元計算結果見圖6～圖8，其中拉應力為正，壓應力為負。從圖中可以看出，試驗數據與計算數據總體較吻合，表明模型試驗能夠較為真實的反映剪力滯效應；個別實測值和理論值差異較大，均出現在應力絕對值較小的工況，主要原因是測試元件在低應力狀態下的誤差較大。

圖6　工況1各截面應力橫橋向分布圖

圖7　工況2各截面應力橫橋向分布圖

圖8　工況3各截面應力橫橋向分布圖

2.4.2剪力滯系數

剪力滯效應的大小通常用剪力滯系數[1]λ來度量：

式中：λ為計算點處剪力滯系數；σ為頂板（底板）計算點處的法向應力；σ為頂板（底板）平均應力。剪力滯系數試驗及計算結果見表1。

表1　剪力滯系數λ試驗及計算結果

3　索梁錨固結構疲勞性能研究

3.1研究方法

國內外鋼橋設計規范中的疲勞設計主要針對簡單連接構造，不適用于索梁錨固這類復雜結構，空間有限元仿真計算也難以反映焊縫和幾何復雜部位的疲勞性能，因此采用模型試驗方法對主橋索梁錨固結構疲勞性能進行評估。

3.2疲勞荷載及試驗對象的確定

根據設計交通量，選用英國BS5400[2]中的標準疲勞車，在全橋總體計算模型中分析車輛荷載引起的斜拉索軸力效應，選擇軸力變化幅最大的MC4斜拉索及其梁上錨固構造為疲勞試驗對象。

根據設備加載能力和試驗周期要求，確定試驗模型的尺寸相似比為1∶2.5。按損傷等效原則并考慮多車效應計算得到MC4斜拉索200萬次等效軸力幅402.6 kN，偏安全考慮將等效軸力幅提高至2.3倍即936 kN，對應斜拉索的應力幅為158.4 MPa。

3.3模型加載方式

通過地錨螺栓將反力裝置固定在地面，再將錨拉板焊接在反力裝置預埋鋼板上，并使錨拉板處于水平狀態。采用MTS伺服加載系統進行疲勞試驗加載，MTS加載系統的作動器臺座上布置有地腳螺栓，與試驗構件進行錨固，見圖9。

圖9　錨拉板疲勞加載示意圖（單位：cm）

3.4疲勞加載過程和疲勞失效準則

疲勞荷載采用常幅正弦波荷載，加載頻率為5 Hz，加載幅值為936/2.52=150 kN，最小加載荷載為50 kN，最大加載荷載為200 kN，試驗加載的循環次數為加至模型疲勞破壞或循環200萬次。疲勞試驗前（0次應力循環）和試驗過程中（約每隔40萬次，停機一次）進行靜載試驗，靜力試驗最大荷載為疲勞荷載的上限值即150 kN。

疲勞試驗主要關注索梁錨固結構在各次靜力測試下各部件應力大小、分布和演化情況，確定錨固區抗疲勞薄弱位置和疲勞裂紋出現位置，研究部件的疲勞損傷過程。模型試驗疲勞失效的判別準則為疲勞裂紋出現失穩擴展導致模型破壞、疲勞試驗機的加載噸位急劇下降，此時的試驗機循環次數即作為結構疲勞壽命。若未發生疲勞破壞則試驗一直加載到200萬次荷載循環。

3.5測點布置

索梁錨固結構由錨拉板、加勁肋、錨管及錨墊板等板件組成，應力測點主要布置在結構幾何突變區域、焊縫區域和高應力區域，見圖10。

圖10　錨拉板測點布置示意圖

3.6試驗結果分析

3.6.1疲勞加載過程中的靜載應力

疲勞試驗過程中每循環加載40萬次進行一次靜力加載試驗，以判斷循環次數對各測點應力的影響，圖11為關鍵測點靜應力隨加載次數的變化規律。疲勞試驗過程中，各測點主拉應力均未超過43 MPa。

圖11　關鍵測點主應力隨加載次數的變化情況

3.6.2疲勞加載過程的動應力時程曲線

試件在疲勞試驗中始終處于彈性狀態，各測點的應變值波動范圍均較小。200萬次疲勞試驗后，試驗模型未出現裂紋和異?，F象。202.15萬次時各代表性測點的動應力時程包絡圖見圖12。

圖12　202.1　5萬次循環關鍵測點的動應力時程包絡圖

3.6.3疲勞加載過程的動應力幅值

部分關鍵測點在加載40萬次、80萬次、120萬次、160萬次、200萬次時的動應力幅值隨加載次數的變化規律見圖13。疲勞試驗過程中，各測點的主拉應力幅值均在60 MPa內。

U446

B

1009-7716（2016）10-0059-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.019

2016-06-27

張紅星（1978-），男，浙江杭州人，高級工程師，從事橋梁設計工作。