矮塔斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗研究

田寶華

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

斜拉橋中斜拉索[1]的巨大拉力斜向并集中地作用于斜拉橋橋塔與主梁錨固點。索梁錨固區(qū)域[2]受力集中、構(gòu)造復(fù)雜，是控制設(shè)計的關(guān)鍵部位，關(guān)系著結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全耐久性。因此，掌握錨固區(qū)域的應(yīng)力分布情況十分重要。

國內(nèi)外學(xué)者對索梁錨固區(qū)域的力學(xué)特性展開了相關(guān)研究。劉慶寬[3]等對南京二橋錨箱及其附近腹板的應(yīng)力大小和分布進(jìn)行了研究；梅應(yīng)華[4]等基于ANSYS有限元模型，以應(yīng)力為控制指標(biāo)，對索梁錨固區(qū)設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化；劉旭東[5]分析了索梁錨固區(qū)應(yīng)力分布，優(yōu)化了鋼錨箱錨墊板和錨固板參數(shù)；蒲黔輝[6]等采用有限元計算和模型試驗，對鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力機理及應(yīng)力分布進(jìn)行了研究；毛曉東[7]采用有限元計算方法，對錨固區(qū)在最不利荷載組合作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究；袁瑞[8]等采用Midas軟件分析了鋼錨箱各板件和錨固區(qū)主梁應(yīng)力分布與變形情況；薛曉博[9]建立斜拉橋索梁錨固區(qū)的實體有限元模型，分析了索梁錨固區(qū)應(yīng)力特征，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性；陳偉慶[10]等對鋼錨管式、耳板式和錨箱式錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力試驗；衛(wèi)星[11]等選取承受荷載最大的斜拉橋梁端錨固結(jié)構(gòu)為研究對象，建立ANSYS分析模型，評估雙拉板栓焊式梁端錨固結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能；楊美良[12]等建立錨固結(jié)構(gòu)拉壓桿分析模型，探討了角鋼、錨墊板和體外預(yù)應(yīng)力鋼管對錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，提出了配筋優(yōu)化建議。

由于錨固區(qū)有專門的構(gòu)造細(xì)節(jié)且十分復(fù)雜，通過理論分析計算不能完全反映實際構(gòu)件真實力學(xué)特性以及破壞特征，故應(yīng)通過模型試驗來對其進(jìn)行細(xì)致分析研究。本文通過模型試驗，研究錨固區(qū)在荷載作用下各部位的應(yīng)力水平以及應(yīng)力分布情況，全面掌握該構(gòu)造在實橋中的力學(xué)行為，驗證金沙江大橋索梁錨固區(qū)設(shè)計的合理性及安全可靠性，并為同類橋梁提供技術(shù)參考。

2 工程概況

攀枝花金沙江大橋為中鐵二十三局承建的成昆鐵路擴能改造工程米易至攀枝花段重點項目。成昆鐵路金沙江大橋位于金沙江與雅礱江匯合口以下約1.3 km處的金沙江干流上，主橋采用(120+208+120)m雙塔預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié)，梁底設(shè)支座。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，直腹板，箱梁普通段頂寬13.10 m，底寬10.6 m?？缰屑斑呏c處梁高6.8 m，中支點處梁高11.3 m，底板采用拋物線過渡，塔高28 m。橋式總布置如圖1所示。

圖1 主橋孔跨布置

該橋索梁錨固區(qū)在設(shè)計中拋棄了鐵路矮塔斜拉橋所普遍使用的梁底錨固塊錨固的形式，采用了新型頂板錨固塊錨固形式。索梁錨固塊構(gòu)造如圖2所示。

圖2 索梁錨固塊構(gòu)造(單位：cm)

攀枝花金沙江大橋梁體及索梁錨塊混凝土等級為C55，封錨采用強度等級為C55收縮補償混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用抗拉強度1 860 MPa、彈性模量195 GPa、公稱直徑15.2 mm的高強度低松弛鋼絞線。

3 錨固區(qū)模型試驗

3.1 試驗?zāi)Ｐ秃喗?/h3>

金沙江大橋的索梁錨固區(qū)構(gòu)件共有7種不同的尺寸，試驗前對C1～C7錨固區(qū)構(gòu)件在掛索前、恒載作用、最不利荷載、極限承載能力等作用下的受力情況進(jìn)行分析，綜合比較各錨固區(qū)構(gòu)件的受力情況，選取承受荷載最大的C7錨固區(qū)構(gòu)件進(jìn)行模型試驗。試驗?zāi)Ｐ桶丛瓨蚴┕D紙設(shè)計，所用材料、普通鋼筋布置、預(yù)應(yīng)力鋼束布置等均與原橋保持一致。

由于受到試驗條件限制，試驗?zāi)Ｐ团c原橋比例為1∶2，材料選用與原橋一致。由于結(jié)構(gòu)自重影響較小，故試驗中不進(jìn)行配重設(shè)計，只考慮拉索索力對結(jié)構(gòu)的作用。

因拉索拉力較大，試驗室反力墻無法承受所需拉索力，為滿足試驗要求并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，研究設(shè)計了一種混凝土自平衡體系。具體設(shè)計方案見圖3。

圖3 混凝土自平衡體系(單位：cm)

根據(jù)現(xiàn)場條件，設(shè)計試驗構(gòu)件在腹板底部設(shè)置了突出翼緣，利用錨栓錨具與反力墻連接。錨固塊試件現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 錨固塊C7試件

3.2 預(yù)應(yīng)力構(gòu)造

由于試驗?zāi)Ｐ痛嬖谙嗨脐P(guān)系，張拉控制應(yīng)力為原橋構(gòu)件0.25倍，通過N1和N2兩根預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力約束。錨下張拉控制應(yīng)力為325.5 MPa，張拉時需先按0.1倍張拉控制應(yīng)力進(jìn)行張拉，然后逐步張拉至設(shè)計應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絞線N1和N2理論張拉伸長量分別為8.0 mm和10.6 mm。預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖5。

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼絞線立面布置(單位：cm)

3.3 測點布置

試驗?zāi)Ｐ蜕显O(shè)置應(yīng)變、索力兩類測試內(nèi)容。應(yīng)變測點處布置應(yīng)變花，拉索錨固端錨板前布置壓力環(huán)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固端布置錨索計。測點布置按照縮尺模型進(jìn)行設(shè)計，對于全尺模型，需將測點坐標(biāo)數(shù)據(jù)按比例縮放?；炷翍?yīng)變測點如圖6所示。

圖6 混凝土測點布置

3.4 模型加載

試驗構(gòu)件達(dá)到加載要求后，首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加載，測試正常后，以最大設(shè)計索力值(2 012.5 kN)為基準(zhǔn)，進(jìn)行正式加載。每個加載階段持續(xù)5 min，并進(jìn)行相關(guān)應(yīng)變測量。

工況1:按最大設(shè)計索力的20%分級加載直至最大設(shè)計索力值；按最大設(shè)計索力的50%分級卸載，直至索力為零。

工況2:按最大設(shè)計索力的20%分級加載直至最大設(shè)計索力值的140%；按最大設(shè)計索力的10%分級加載直至最大設(shè)計索力值的200%；按最大設(shè)計索力的40%分級卸載，直至索力為零。

在正式加載工況2過程中，每級加載到位后，記錄構(gòu)件的結(jié)構(gòu)變形，檢查測試儀器是否正常工作并記錄數(shù)據(jù)；在最大設(shè)計索力以上的各級荷載工況下，除了詳細(xì)記錄和分析混凝土應(yīng)變是否異?；蜷_裂外，還需時刻仔細(xì)觀察構(gòu)件表面是否產(chǎn)生裂縫。如發(fā)現(xiàn)開裂裂縫，詳細(xì)記錄和標(biāo)識裂縫開展位置，測量裂縫寬度、深度以及裂縫方向，并記錄開裂荷載值。隨著加載過程的繼續(xù)，如果發(fā)現(xiàn)裂縫明顯開裂，寬度明顯加大等一系列構(gòu)件無法繼續(xù)承載的破壞前兆時，立即停止加載，并逐級卸載，直至索力為零，檢查分析模型的破壞形態(tài)。

4 試驗結(jié)果分析

工況1和工況2埋入式應(yīng)變計數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 各工況埋入式應(yīng)變計數(shù)據(jù)

工況1加載結(jié)果表明，錨固塊在不同張拉荷載作用下直至張拉至100%的設(shè)計索力，其應(yīng)變增幅基本呈線性增加，說明混凝土在線彈性階段受力，最大壓應(yīng)變?yōu)?41.2，最大拉應(yīng)變?yōu)?0.1。

工況2加載結(jié)果表明，錨固塊在不同張拉荷載作用下直至張拉至200%的設(shè)計索力，其應(yīng)變增幅基本呈線性增加，說明混凝土在線彈性階段受力，最大壓應(yīng)變?yōu)?82.4，最大拉應(yīng)變?yōu)?00.7；最大應(yīng)力及應(yīng)力集中區(qū)域大體相近且滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范及設(shè)計圖紙應(yīng)力要求。

通過現(xiàn)場觀察，錨固塊試驗荷載加載至100%設(shè)計索力時，錨固塊并未出現(xiàn)裂縫；加載至140%設(shè)計索力時，錨固塊前端倒角位置開始出現(xiàn)細(xì)小裂紋且隨著荷載增加緩慢發(fā)展，寬度為0.3～0.4 mm，長度約為12 cm，另一側(cè)也開始出現(xiàn)兩條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬度約為0.1～0.2 mm，長度分別約為16 cm和8 cm；加載至170%設(shè)計索力時，之前出現(xiàn)的裂縫隨荷載的增加不斷開展，寬度為0.2～0.5 mm，長度約22 cm，另一側(cè)出現(xiàn)兩條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬度為0.2～0.6 mm，長度分別約為25 cm和8 cm；加載至200%設(shè)計索力時，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載的增加不斷開展，寬度為0.6～0.8 mm，長度約為34 cm，另一側(cè)出現(xiàn)兩條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬度為0.6～0.8 mm，長度分別約為30 cm和12 cm；當(dāng)荷載卸載至零時，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載的減小不斷閉合，寬度肉眼不可見，見圖8。

圖8 混凝土錨固塊裂縫

5 結(jié)論

(1)工況一荷載試驗表明受檢構(gòu)件試驗截面各應(yīng)變測點的實測應(yīng)變值均小于其對應(yīng)的理論計算值；卸載后，各測點相對殘余應(yīng)變均小于20%，表明試驗截面處于彈性工作狀態(tài)，錨固塊的強度滿足設(shè)計要求。

(2)工況二荷載試驗表明受檢構(gòu)件試驗截面各應(yīng)變測點的實測應(yīng)變值基本都小于其對應(yīng)的理論計算值，只有個別點位拉應(yīng)力超過設(shè)計文件限值；卸載后，各測點相對殘余應(yīng)變均小于20%，表明試驗截面處于彈性工作狀態(tài)，錨固塊的強度滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全儲備系數(shù)≥2.0。

(3)本次試驗過程中，當(dāng)試驗荷載持續(xù)加載超過140%設(shè)計索力時，索梁錨固塊前端倒角處開始出現(xiàn)多條細(xì)小的斜裂縫；隨著荷載的不斷增大，裂縫繼續(xù)開展；裂縫最大為200%設(shè)計索力時，裂縫寬度最大為0.8 mm，裂縫長度最長為34 cm；卸載完畢后，裂縫閉合肉眼不可見。