鰲江四橋關(guān)鍵技術(shù)試驗研究

張紅星，陳小剛，劉德寶

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310006）

鰲江四橋關(guān)鍵技術(shù)試驗研究

張紅星，陳小剛，劉德寶

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)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(yīng)和索梁錨固構(gòu)造疲勞性能兩個關(guān)鍵技術(shù)問題，得出組合梁剪力滯系數(shù)，驗證了索梁錨固結(jié)構(gòu)在疲勞荷載作用下的安全性，可為橋梁設(shè)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(zhèn)和龍港鎮(zhèn)之間，位于浙江八大水系之一鰲江入海口南岸。道路等級為城市主干路，設(shè)計速度50 km/h，橋梁設(shè)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(jié)，邊墩設(shè)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(jié)構(gòu)，橫向設(shè)兩片鋼縱梁，中心間距25.5 m，梁高2.8 m，順橋向每4m設(shè)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(cè)各設(shè)置一道1.0 m寬風(fēng)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(nèi)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(chǎn)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(yīng)力沿腹板中心線兩側(cè)的橫向分布很不均勻，引起橋面板的剪力滯后。現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于組合梁混凝土板有效寬度的規(guī)定主要適用于承受豎直荷載的剛性支承結(jié)構(gòu)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(gòu)件真實應(yīng)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(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫立體交錯，應(yīng)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(jié)構(gòu)可靠與否直接關(guān)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(yīng)和索梁錨固結(jié)構(gòu)疲勞性能作為鰲江四橋關(guān)鍵技術(shù)問題加以研究。

2　鋼混組合梁橋面板剪力滯效應(yīng)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(jié)果進行驗證，見圖3。

2.2縮尺模型試驗

2.2.1試驗?zāi)Ｐ?/p>

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(jié)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(jù)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(shè)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?zāi)Ｐ瓦吔鐥l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(yīng)，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(yīng)的實橋節(jié)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(jié)段有限元模型見圖5。

節(jié)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(jié)段端部主梁內(nèi)力，施加于節(jié)段有限元模型中。

圖5　鋼混組合梁有限元模型

2.4結(jié)果對比分析

2.4.1主梁應(yīng)力分布

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

圖6　工況1各截面應(yīng)力橫橋向分布圖

圖7　工況2各截面應(yīng)力橫橋向分布圖

圖8　工況3各截面應(yīng)力橫橋向分布圖

2.4.2剪力滯系數(shù)

剪力滯效應(yīng)的大小通常用剪力滯系數(shù)[1]λ來度量：

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

表1　剪力滯系數(shù)λ試驗及計算結(jié)果

3　索梁錨固結(jié)構(gòu)疲勞性能研究

3.1研究方法

國內(nèi)外鋼橋設(shè)計規(guī)范中的疲勞設(shè)計主要針對簡單連接構(gòu)造，不適用于索梁錨固這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，空間有限元仿真計算也難以反映焊縫和幾何復(fù)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(jié)構(gòu)疲勞性能進行評估。

3.2疲勞荷載及試驗對象的確定

根據(jù)設(shè)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(yīng)，選擇軸力變化幅最大的MC4斜拉索及其梁上錨固構(gòu)造為疲勞試驗對象。

根據(jù)設(shè)備加載能力和試驗周期要求，確定試驗?zāi)Ｐ偷某叽缦嗨票葹?∶2.5。按損傷等效原則并考慮多車效應(yīng)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(yīng)斜拉索的應(yīng)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(yù)埋鋼板上，并使錨拉板處于水平狀態(tài)。采用MTS伺服加載系統(tǒng)進行疲勞試驗加載，MTS加載系統(tǒng)的作動器臺座上布置有地腳螺栓，與試驗構(gòu)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(huán)次數(shù)為加至模型疲勞破壞或循環(huán)200萬次。疲勞試驗前（0次應(yīng)力循環(huán)）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(guān)注索梁錨固結(jié)構(gòu)在各次靜力測試下各部件應(yīng)力大小、分布和演化情況，確定錨固區(qū)抗疲勞薄弱位置和疲勞裂紋出現(xiàn)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(xiàn)失穩(wěn)擴展導(dǎo)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(huán)次數(shù)即作為結(jié)構(gòu)疲勞壽命。若未發(fā)生疲勞破壞則試驗一直加載到200萬次荷載循環(huán)。

3.5測點布置

索梁錨固結(jié)構(gòu)由錨拉板、加勁肋、錨管及錨墊板等板件組成，應(yīng)力測點主要布置在結(jié)構(gòu)幾何突變區(qū)域、焊縫區(qū)域和高應(yīng)力區(qū)域，見圖10。

圖10　錨拉板測點布置示意圖

3.6試驗結(jié)果分析

3.6.1疲勞加載過程中的靜載應(yīng)力

疲勞試驗過程中每循環(huán)加載40萬次進行一次靜力加載試驗，以判斷循環(huán)次數(shù)對各測點應(yīng)力的影響，圖11為關(guān)鍵測點靜應(yīng)力隨加載次數(shù)的變化規(guī)律。疲勞試驗過程中，各測點主拉應(yīng)力均未超過43 MPa。

圖11　關(guān)鍵測點主應(yīng)力隨加載次數(shù)的變化情況

3.6.2疲勞加載過程的動應(yīng)力時程曲線

試件在疲勞試驗中始終處于彈性狀態(tài)，各測點的應(yīng)變值波動范圍均較小。200萬次疲勞試驗后，試驗?zāi)Ｐ臀闯霈F(xiàn)裂紋和異常現(xiàn)象。202.15萬次時各代表性測點的動應(yīng)力時程包絡(luò)圖見圖12。

圖12　202.1　5萬次循環(huán)關(guān)鍵測點的動應(yīng)力時程包絡(luò)圖

3.6.3疲勞加載過程的動應(yīng)力幅值

部分關(guān)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(yīng)力幅值隨加載次數(shù)的變化規(guī)律見圖13。疲勞試驗過程中，各測點的主拉應(yīng)力幅值均在60 MPa內(nèi)。

U446

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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(shè)計工作。