超大跨径自锚式悬索桥全桥模型试验测试方法研究
2018-05-21
近年来，国内外修建了一些自锚式悬索桥并进行了相关的模型试验研究，获得了不少有益成果，但是多针对跨径不大的自锚式悬索桥，而对于大跨径的自锚式悬索桥的模型试验研究则比较少。
目前，正在建设的桃花峪黄河大桥结构新颖、体系复杂，其具有主桥跨径大（主跨406m，在同类型桥梁中世界第一）、桥面宽（箱梁宽度达39m）、设计荷载等级高（是国内公路桥梁最大标准荷载的1.3倍）等特点，且国内外对于此类桥梁无论在设计还是在施工方面均无十分成熟的经验可以借鉴，因此对这种超大跨径、宽桥面、高设计荷载的超大跨径自锚式悬索桥进行全桥模型试验测试方法研究是十分必要的。
1依托项目介绍
桃花峪黄河大桥主桥为双塔三跨自锚式悬索桥，主缆孔跨布置为160m+406m+160m，中跨矢跨比1/5.8。主梁采用整体钢箱梁断面形式，全长为737.43m（包括主缆锚固段）。主桥横向设置2%横坡，桥面系宽33m（不含布索区）。工程设计按双向六车道高速公路建设，设计速度100km/h，设计荷载等级为公路－Ⅰ级×1.3，其桥梁效果见图如1。
图1桃花峪黄河大桥效果图
2全桥模型试验简介
桃花峪黄河大桥全桥模型试验为了得到比较理想的试验数据，在综合考虑试验内容、模型材料、制作精度及试验场地基础上，选定全桥模型的几何缩尺比为1/30。模型各部分（除桥塔外）均采用相应与原型相同弹性模量和泊松比的材料，原桥塔柱材质为钢筋混凝土，模型桥塔采用钢结构。在模型试验时，为弥补材料容重不足所产生的影响，采用了恒载补偿的办法，在综合考虑了模型承载能力与试验条件等因素的情况下，选定力的缩尺比为1/1。桃花峪黄河大桥全桥模型试验效果见图2。
图1桃花峪黄河大桥全桥模型试验效果图
根据选定的缩尺比可以得到模型的总长为24.2m，宽度为1.3m，北索塔总高为4.52m，南索塔总高为4.6m，主缆横向间距为1.2m，吊索纵向基本间距为0.45m。
3全桥模型试验张拉方法设计
3.1主缆张拉方法设计
为了准确地控制主缆的线形，对主缆进行了预张拉，消除可能存在的非弹性变形和不平度，再将主缆放在地面上，用油漆分别对左锚固端点、右锚固端点、左主塔顶中点、右主塔顶中点和跨中中点进行标记，然后将主缆架设到主塔上，用手动葫芦调整主缆以达到模型设计线形。主缆标记见图3，锚固端主缆固定见图4。
图3 主缆标记
图4 锚固端主缆固定
3.2 吊索张拉方法设计
为了准确地控制吊索的锚固力，对不同位置的吊索采用了不同的张拉工具和张拉方法。对中跨靠近主塔张拉力较小的吊索和边跨的吊索，在吊索张拉时，先在螺杆上悬挂与张拉力相等重量的铁块，然后拧动螺母锚固，锚固后去掉铁块，再调整螺母，达到吊索张拉要求；对中跨张拉力较大的吊索，在吊索张拉时，人工在螺杆上悬挂相等重量的铁块是非常困难的，先在吊索最下方安装一个反力架且用多个螺母固定，然后再用水平尺将反力架调平，在反力架上面放置千斤顶并在千斤顶上安装测力传感器，通过理论计算值顶升主梁，拧动螺母锚固，锚固后去掉铁块，再拧紧或放松锚固螺母，达到吊索张拉要求。吊索张拉锚固见图5。
图5 吊索张拉锚固示意图
4 全桥模型试验测试系统设计
4.1 力的测试系统设计
① 主缆内力测试系统设计
在主缆完成预张拉并用油漆标记点后，在主缆两端的锚固点安装主缆内力计测器。主缆内力计测器主要由压力环（量程0-15T）、压力传感器和手持式应变测试仪三部分构成（主缆内力计测器见图6）。在主缆架设完成后，进行施工阶段模拟时，测量不同施工阶段的主缆应变读数，通过应力-应变关系将应变换算成主缆应力，再通过内力-应力关系将读数换算成主缆内力。
图6 主缆内力计测器
② 吊索索力测试系统设计
对于自锚式悬索桥全桥模型试验吊索索力的测试，传统的测力装置是贴应变片，但是由于试验吊索一般较细，且具有较大的柔性，细索表面又为曲面，所以贴应变片的方法很难发挥作用。而且目前针对索力测试的频率法又主要是用于原型结构的测试，还没有专门针对试验的吊索索力测试系统，故在此基础上基于三点加载法自主开发了吊索索力测试系统（见图7）。
图7 基于三点悬测法的索力计测器
基于三点加载法的吊索索力测试系统工作原理是：索结构只能承受拉力不能承受压力，在轴向力作用下产生应力钢化效应，使柔索具有横向刚度，能够承受一定的横向荷载。
③ 主梁应力测试系统设计
为了测试在施工过程中主梁的受力情况，在主梁上设计了应变测试系统。主梁上的应变测试系统由应变片、静态电阻式应变仪和静态应变测试仪三部分构成（主梁应变计测器见图8）。
图8 主梁上应变计测器
4.2 位移（变形）测试系统设计
① 主缆位移测试系统设计
主缆位移的测量仪器选用Nikon DTM-452C全站仪，在施工模拟时，逐一对目标观测棱镜进行测量。在主缆观测点上焊装24个反光棱镜（反光棱镜的中心和观测点主缆中心一致）。
② 主梁位移测试系统设计
为了测试在施工中主梁的挠度变化，在主梁上设计了位移测试系统。主梁位移测试系统主要由槽钢、CZ-6A磁性表座、电测千分表和压力传感器（量程0-1T）四部分构成。首先将槽钢用细铁丝固定在辅助墩上，然后将磁性表座固定在槽钢上，将千分表反向压在主梁底板上，再将千分表上接上压力传感器，最后将传感器接线串联到电脑上测试。主梁挠度计测器见图9。
图9 主梁挠度计测器
③ 索塔偏位和索鞍顶推测试系统设计
索塔的偏位和索鞍顶推测试是通过在索塔和索鞍上挂铅垂，用钢尺量测量索塔偏位和索鞍顶推数据。索塔和索鞍测试工具见图10。
图10 索塔和索鞍测试工具
试验室所有张拉和测试系统及工具见表1。
表1 实验测试工具汇总表
5 结论
笔者在相似理论的基础上，通过对桃花峪黄河大桥主桥这类超大跨径自锚式悬索桥的全桥模型试验主缆张拉方法设计和吊索张拉方法设计进行了介绍，并叙述了力的测试系统设计和位移（变形）测试系统设计，以便为今后同类桥梁的设计提供借鉴和依据。
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