自錨式懸索橋分部位校驗系數合理取值研究

王 通，楊 康，王毓晉，鄭招仁

(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 蕪湖 241000；3.寧波交通工程建設集團有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

自錨式懸索橋不同于傳統的梁橋，也有別于地錨式懸索橋，其結構更復雜，不同構件所受荷載的形式也不同，若單純采用某一構件的校驗系數對結構整體做出評價顯然不合理[1]。目前，規范中并未針對自錨式懸索橋這種橋型給出精確的校驗系數取值范圍。基于國內多座自錨式懸索橋荷載試驗數據，主要包括主梁應變、撓度校驗系數、吊索索力校驗系數、塔頂偏位及塔底應變校驗系數，對其合理取值進行研究，借助Minitab對各部位構件校驗系數取值范圍合理分類，事實上是對規范進行細化及驗證，為后續該橋型總體評價提供借鑒。

1 現有評定方法

結構校驗系數是指試驗荷載下結構應變(應變)或變形的實測值與理論計算值的比值，用符號η表示。校驗系數是評價橋梁承載力的重要指標，針對不同橋型、不同部位校驗系數取值范圍也不同。一般地，當η≤1表明結構承載力滿足規范要求，工作性能較好；當η>1表明工作狀態不理想，承載力不足。校驗系數越小，結構安全儲備越大；反之，結構的危險系數也越高，JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規程》給出常見橋型校驗系數常值[2]，如表1所示。

表1 不同橋型校驗系數常值

2 分部位校驗系數研究意義

本文主要對鋼主梁、塔柱、纜索三大構件校驗系數進行合理取值分析。基于文獻及相關荷載試驗報告數據，借助統計學軟件Minitab對主梁應變、撓度校驗系數、塔頂偏位及塔底應變校驗系數、主纜拉力測試及吊索索力校驗系數進行95%置信區間的正態分布檢驗。開展自錨式懸索橋分部位校驗系數合理取值研究有如下幾點意義[3-4]：①不同構件受力不同，吊索承受拉力，主梁主要承受彎矩與軸力；②不同構件所用材料不同，塔柱一般為混凝土結構，主梁和纜索多為鋼材；③不同構件采用的測試儀器及方法不同；④建立A(優)、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)更細致、合理的評價標準意義重大。

3 分部位校驗系數

3.1 鋼主梁構件校驗系數

本文基于國內多座自錨式懸索橋荷載試驗資料，隨機選出鋼主梁應變校驗系數180組樣本，考慮篇幅僅列出100組樣本(見表2)，借助Minitab對數據統計分析[5]，為主梁應變校驗系數服從95%置信區間的概率分布如圖1所示，主梁校驗系數統計分析如圖2所示。

表2 自錨式懸索橋鋼主梁應變校驗系數樣本

圖1 主梁應變校驗系數概率分布

圖2 主梁應變校驗系數統計分析

本文規定樣本均值在95%置信區間0.79～0.83為工作最佳[6]，為A類；校驗系數為1表示實測值等于理論值，承載力滿足規范的上限值，當校驗系數在0.83～1.00規定為C類；因為校驗系數服從正態分布，則主梁應變校驗系數下線為0.79-0.17=0.62，規定0.62～0.79為B類；當校驗系數>1認為結構承載力不足，規定為E；當校驗系數過小，認為結構安全系數過高，經濟性差，規定0～0.62為D類[7]。

隨機抽取了100組鋼主梁撓度校驗系數樣本，如表3所示。借助Minitab軟件對數據進行概率統計，主梁撓度校驗系數概率圖如圖3所示，鋼主梁撓度校驗系數統計如圖4所示。

表3 自錨式懸索橋鋼主梁撓度校驗系數樣本

圖3 主梁撓度校驗系數概率分布

圖4 主梁撓度校驗系數統計分析

本文規定樣本均值在95%置信區間0.81～0.86為主梁工作最佳，為A類；校驗系數為1表示實測值等于理論值，承載力滿足規范的上限值，規定0.86～1.00為C類；因校驗系數服從正態分布，則主梁撓度校驗系數下限為0.81-0.14=0.67，規定0.67～0.81為B類；當校驗系數>1認為結構承載力不足，規定為E類；當校驗系數過小，認為結構承載力過大，安全系數過高，經濟性差，規定0～0.67為D類。

3.2 纜索構件的校驗系數

隨機抽取100組自錨式懸索橋吊索索力增量校驗系數樣本，如表4所示。借助Minitab軟件對數據進行統計，吊索索力增量校驗系數概率分布如圖5所示，吊索索力增量校驗系數統計分析如圖6所示。

表4 自錨式懸索橋吊索索力增量校驗系數樣本

圖5 索力增量校驗系數概率分布

圖6 索力增量校驗系數統計分析

本文規定樣本均值在95%置信區間0.80～0.85為工作最佳，為A類；校驗系數為1表示承載力滿足規范的上限值，規定0.85～1.00為C類；因校驗系數服從正態分布，則吊索索力校驗系數下限值為0.80-0.15=0.65，規定0.65～0.80為B類；當校驗系數>1認為結構承載力不足，規定為E類；當校驗系數過小，認為結構承載力過大，安全系數過高，經濟性差，規定0～0.65為D類。

主纜內力增量的測試一般在錨跨中心索股處預埋壓力傳感器[8]，本文隨機抽取70組自錨式懸索橋主纜內力增量校驗系數樣本，如表5所示，主纜內力增量校驗系數概率分布如圖7所示，主纜內力增量校驗系數統計分析如圖8所示。

表5 自錨式懸索橋主纜內力增量校驗系數樣本

圖7 主纜內力增量校驗系數概率分布

圖8 主纜內力增量校驗系數統計分析

本文認為樣本均值在95%置信區間0.78～0.84為工作最佳，規定為A類；校驗系數為1表示實測值等于理論值，承載力滿足規范的上限值，規定0.87～1.00為C類；因校驗系數服從正態分布，則主纜內力增量校驗系數下限為0.78-0.13=0.65，規定0.65～0.78為B類；當校驗系數>1認為結構承載力不足，規定為E類；當校驗系數過小，認為結構承載力過大，安全系數過高，經濟性差，規定0～0.65為D類。

3.3 主塔構件的校驗系數

隨機抽取70組塔頂偏位校驗系數樣本，如表6所示。借助Minitab軟件對數據進行統計，塔頂偏位校驗系數概率分布如圖9所示，塔頂偏位校驗系數統計分析如圖10所示。

表6 自錨式懸索橋塔頂偏位校驗系數樣本

圖9 塔頂偏位校驗系數概率分布

圖10 塔頂偏位校驗系數統計分析

本文認為樣本均值在95%置信區間0.67～0.75為工作最佳，規定為A類；校驗系數為1表示實測值等于理論值[9]，規定0.75～1.00為C類；因校驗系數服從正態分布，下限值為0.67-0.25=0.42，規定0.42～0.67為B類；當校驗系數>1，認為結構承載力不足，規定為E類；當校驗系數過小，認為結構承載力過大，安全系數過高，經濟性差，規定0～0.42為D類。

基于上述分析對主梁、主塔、纜索三大構件進行校驗系數統計分析，建立了A(優)、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)較為細致、合理的評價標準，如表8所示。

表8 自錨式懸索橋分部位校驗系數合理取值分類

4 結語

本文基于國內多座自錨式懸索橋荷載試驗及相關文獻，借助統計學原理開展了主梁、主塔、纜索三大構件的校驗系數合理取值研究，對主梁應變(應力)、主梁撓度、吊索索力增量、主纜內力增量、塔頂偏位及塔底應變(應力)校驗系數取值范圍進行分析，主要以承載力、經濟性指標及統計學規律等相關要求，建立了A(優)、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)較為細致、合理的評價標準。

本文認為樣本均值在95%置信區間0.70～0.75為工作最佳，規定為A類；考慮到校驗系數為1滿足規范的上限值，規定0.75～1.00為C類；因校驗系數服從正態分布，則塔頂偏位校驗系數下限為0.70-0.25=0.45，規定0.45～0.70為B類；當校驗系數>1認為結構承載力不足，規定為E類；當校驗系數過小，認為結構承載力過大，安全系數過高，提高了建造成本，規定0～0.45為D類。

隨機抽70組自錨式懸索橋塔底應變校驗系數樣本，如表7所示。借助Minitab軟件對數據進行統計分析，塔底應變校驗系數概率分布如圖11所示，塔底應變校驗系數統計分析如圖12所示。

表7 自錨式懸索橋塔底應變校驗系數樣本

圖11 塔底應變校驗系數概率分布

圖12 塔底應變校驗系數統計分析