混合梁斜拉橋塔梁墩固結區受力性能試驗研究

俞 英 王亞飛

(1.福州東南繞城高速公路有限公司 福州 350000； 2.中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430000)

1 工程概況

長門特大橋為(35 m+44 m+66 m)+550 m+(66 m+44 m+35 m)雙塔雙索面混合梁斜拉橋,是福州繞城高速公路東南段工程項目中重要的控制性工程。主橋全長848 m，邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土箱梁分界線距索塔中心線24 m。

長門特大橋采用的單箱四室塔梁墩固結體系，目前在國內未見報道。塔梁墩固結區域受力復雜[1-2]，進行設計施工時，不僅要考慮由橋塔傳來的巨大的軸向力，還需考慮由主梁傳遞的較大剪力、彎矩及軸向力。由于鋼筋混凝土結構為非勻質材料，單純使用數值仿真無法真實模擬其受力性能，因此在有限元分析的基礎上[3]，對塔梁墩區域的關鍵部位及薄弱部位進行由不利工況控制的大比例同材料全斷面模型加載試驗，研究不利荷載作用下的各截面的受力特征[4]。校核模型試驗及數值模擬分析結果，評判該固結區域的力學特性及安全儲備，對同類橋梁設計、試驗有一定參考意義。

2 試驗方案設計

2.1 模型設計

根據塔梁墩固結體系受力特點，為使模型真實反應實橋固結區域的受力特性，試驗模型涵蓋了以下結構關鍵部位：主梁與下橫梁的固結部位、主塔下橫梁、下橫梁與塔柱的連接部位。模型模擬對象選取為：主塔下橫梁與塔柱固結區域、主塔兩側一定長度的主梁、橫梁上下塔柱一定高度、主塔下橫梁。經綜合分析研究，試驗模型的幾何縮尺比定為1∶5，為有效施加彎矩，選取主梁過塔中心線4.1 m，主塔過主梁頂面高度2.3 m部分制作實驗模型。

試驗模型按1∶5的縮尺比例設計，采用與實際結構相同的材料制成，主要結構尺寸為實橋結構縮尺尺寸。制得的試驗模型(不含底座和加載架)高5.54 m、寬9.46 m、長8.2 m。試驗模型見圖1、圖2。

a) 試驗模型正立面圖

b) 試驗模型側立面圖

圖2 試驗實體模型圖

2.2 加載方案

考慮剛構體系塔梁墩固結處力的傳遞路徑，根據設計院提供的最不利荷載值、ANSYS對模型的分析計算結果以及模型的實際情況，得出3個控制截面位置和最不利荷載對應的6種工況，3個試件控制截面分別對應距索塔中心線1.25 m兩側處的主梁橫截面及塔柱外轉折點向上9.00 m主塔橫截面，這些控制截面在這6種工況下將產生不同的內力值。根據這些控制截面的內力值來確定加載方案，通過計算轉換為對主梁、主塔施加不同大小及種類的荷載，6種工況定義見表1。

表1 工況對應表

2.2.1主梁荷載

對主梁施加端部軸力。邊跨和中跨平衡軸力通過張拉通長預應力鋼束來實現，邊跨不平衡軸力通過千斤頂提供反力來實現，中跨不平衡軸力通過水平螺桿來實現。

對主梁施加剪力和彎矩。通過油壓千斤頂施加外荷載，油壓千斤頂設置在距主塔中心線2.5 m和4.0 m 2處。

2.2.2主塔荷載

通過張拉塔頂的預應力和5 000 kN千斤頂對主塔施加軸力。

對主塔施加橫向剪力和彎矩：通過在主塔上端距離主梁上表面1 m和2 m處設置水平橫向螺桿實現加載。

以工況1為例，荷載縱向布置見圖3。

a) 梁端不平衡軸力、剪力和彎矩加載縱向布置圖

b) 塔端縱向加載布置圖

主塔、主梁的體外預應力張拉，應根據不同工況選擇張拉預應力，調整軸力。為方便試驗加載，減少調整千斤頂、反力架位置產生的額外工作量，應合理安排加載順序。試驗加載荷載取1.0P。各試驗工況均采用分級加載的形式，以0.2P為1級，每個工況分成5級加載。待所有荷載工況加載完畢后，張拉主梁預應力筋直至開裂破壞。

2.3 測點布置

模型試驗總共有13個測試截面，其中主梁內有4個斷面，主塔下橫梁處有3個斷面，主塔和主墩共包含6個斷面，測點總數超過200個，測點截面布置見圖4。

a) 側立面測點布置圖

b) 正立面測點布置圖

3 有限元計算模型

3.1 建立有限元模型計算

對比試驗結果，利用ANSYS建立長門特大橋塔梁固結區三維實體模型，模型中混凝土采用實體單元模擬，預應力鋼絞線采用桿單元模擬。塔梁墩固結部位基本按照實際構造進行建模。并按照實驗方案的加載方式及順序進行加載。ANSYS有限元軟件計算模型見圖5。

圖5 塔梁墩固結區三維模型

3.2 有限元模型計算分析

通過ANSYS有限元計算模擬，結果顯示塔梁墩固結處除主梁頂板與主塔交接的角部主拉應力達到2.74 MPa之外，其余主拉應力出現部位的應力值基本在1.1 MPa之內，整體應力較小，滿足規范要求。

4 試驗結果及分析

4.1 控制工況試驗應力結果分析

分析實測得到的試驗結果，將主梁和橫梁連接處的2號斷面，橫梁跨中6號斷面，橫梁和主塔連接處的7號截面選定為試驗的主要斷面。校核這3個關鍵截面的試驗值與有限元計算值，為節省篇幅，工況的結果均為已施加預應力荷載時的測試結果。3個截面具有代表性的壓應力最大值的校核對比見圖6。

圖6 應力實測值、計算值對比圖

通過對比這3個主要截面的應力實測值與模型計算結果可知，兩者應力大小及分布規律基本一致，模型試驗結果能有效反映實橋結構的受力狀況。

4.2 開裂工況及位移結果分析

實測混凝土主梁開裂彎矩為3 750 kN·m，有限元計算得中跨最大彎矩值為1 380.8 kN·m，這表明混凝土主梁的設計有足夠的安全儲備，能夠滿足正常使用要求。

在6個工況1.0P荷載作用下，主梁豎向相對位移實測最大值為向下1.44 mm，實測主梁相對塔壁向上最大值為1.15 mm；橫梁跨中向下最大位移為0.34 mm。在塔梁墩固結區域邊跨軸力最大、邊跨剪力最大、邊跨彎矩最大、中跨軸力最大、中跨剪力最大、中跨彎矩最大6個工況1.0P荷載作用下，混凝土主塔水平順橋向之間的位移基本為零，橫梁跨中撓度沒有超過橋跨結構撓跨比的容許值1/800。表明橫梁在主梁和主塔傳遞來的荷載作用下具有較大的剛度，能夠滿足相應要求，試驗實測相對位移值均小于相應的計算值，塔梁固結處剛度滿足要求。

5 結論

1) 塔梁墩固結區域在所取6種不利工況下，主梁和橫梁的主要斷面的實測應力大小、規律與有限元計算結果相一致，均滿足設計規范要求，表明本模型試驗能較好地反映實橋真實受力情況，結構符合使用要求。

2) 基于工況6的開裂極限狀態，中跨混凝土主梁開裂彎矩遠大于工況6中跨計算最大彎矩值，表明混凝土主梁結構具有足夠的安全儲備。

3) 在不利工況作用下，混凝土主梁、橫梁之間的豎向、水平向的相對位移很小，表明混凝土主梁、橫梁和主塔具有足夠的抗彎和抗剪剛度，滿足安全使用要求。

[1] 吳美艷,楊光武,鄭舟軍.馬鞍山長江公路大橋塔梁固結處模型試驗研究[J].橋梁建設,2011(3):13-16.

[2] 陳小玲.單索面矮塔斜拉橋塔梁墩固結局部應力分析[J].交通科技,2012(1):4-6.

[3] 張慎清.鐵路矮塔斜拉橋塔墩梁固結段應力分析[J].交通科技,2014(3):29-31.

[4] 崔楠楠, 賈布裕, 余曉琳,等. 斜拉橋單向預應力體系索塔錨固區足尺模型試驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2016,43(5):61-69.