杭州江东大桥静力特性全桥模型试验研究

第44卷第1期2011年1月
土 木 工 程 学 报
CH I NA C I V I L ENG I NEER I NG J OURNAL
V o.l44
Jan.
N o.1
2011
作者简介:沈锐利,博士,教授收稿日期:2009 05 13杭州江东大桥静力特性全桥模型
试验研究
沈锐利 齐东春 唐茂林
(西南交通大学,四川成都610031)
摘要:杭州江东大桥是一座独柱桥塔、空间缆索、分离式钢箱、单跨悬吊、主梁宽达47m的自锚式悬索桥。

按照几何
缩尺比1 16、力缩尺比1 4的相似比设计了全桥试验模型,利用试验模型研究了结构成桥后的静力力学特性。

试验
测试了结构的影响线,并根据影响线确定最不利弯矩的加载区间,全面研究了结构在多种工况下的结构行为。

试
验与理论研究表明,成桥后结构的受力行为基本是线弹性的,可以用线弹性理论进行分析;薄壁、宽箱梁存在明显
的剪力滞效应,箱梁截面的应力分布和变形受剪力滞影响较大,主缆和吊索内力受箱梁剪力滞的影响较小。

关键词:自锚式悬索桥;空间缆索;全桥模型试验;静力特性;剪力滞
中图分类号:U448.25 文献标识码:A
文章编号:1000 131X(2011)01 0074 07
M odel test study of the static property of the Ji angdong
Bri dge i n H angzhou
Shen Ruili Q i Dongchun Tang M aolin
(Southw est Jiaotong Un i v ersity,Chengdu610031,Ch i n a)
Abst ract:The Ji a ngdong Bridge i n H angzhou is a spatial cable self anchored suspension bri d ge,w i d th47m,si n g le co l u m n py lon,separate steel box and si n g le span suspension.A tota l bri d ge m odel i s designed w ith a geo m etric sca le of 1 16and a force scale o f1 4,and the str uctural static property in serv ice stage is stud ied usi n g m ode l tes.t I nfluence li n es of inter nal force and d isplace m en,t and the correspond i n g l o ad i n g i n terval for m ax i m um mo m ent are deter m ined. S truct u ra l behavior in d ifferent situati o ns is thoroughly stud ied.Test and theoretical ana l y sis sho w t h at str uctural m echanical property is linear for the co m p leted br i d ge.There ex ists shear lag effect in the th i n w all w i d e box g ir der, w hich obv iously i m pacts the stress and defor m ati o n o f the box g irder,bu t the infl u ence on i n terna l forces o f the m ain cables and hangers is qu ite s m al.l
K eywords:se lf anchored suspensi o n bridge;spatial cable;total bridge m ode l tes;t structura l static property;shear lag E m ai:l qi d ongchun@163.co m
引 言
杭州市江东大桥主通航孔桥为独柱桥塔、空间缆索、单跨悬吊的自锚式悬索桥结构,跨径布置为:(83 +260+83)m,主梁采用分离式双箱,横向通过连接箱加以连接,主梁宽度达47m。

两根主缆在塔顶横向间距为3m,在中跨跨中横向间距44m,横向矢跨比22/260,为世界上最大横向矢跨比的悬索桥。

与其结构相似的桥型为韩国的永宗大桥,但永宗大桥为公铁两用的钢桁架加劲梁悬索桥,桁高大,加劲梁刚度大,桥宽相对较窄,桥塔为双塔柱[1]。

对于江东大桥这种独柱桥塔、空间主缆、宽跨比较大的分体钢箱梁自锚式悬索桥结构,国内外都是第一次采用,有必要通过全桥模型试验来研究成桥后结构的静动力力学特性,验证设计理论的正确性。

本文重点介绍了静力学特性试验研究的成果。

1 试验模型的设计
在综合考虑结构参数、模型材料、制作工艺以及试验室条件等的基础上,确定模型的几何缩尺比为1 16,力的缩尺比为1 4,模型全长26.63m,加劲梁全
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宽为2.94m,桥塔高达5.13m 。

试验模型由2根主缆、26对吊索、加劲梁、横向连接箱、梁端锚固梁、桥塔及索鞍组成,按相似比要求进行配重和梁端压重。

图1
为江东大桥试验模型的整体照片。

图1 江东大桥试验模型整体照片
F i g .1 Photo of test m ode l
1.1 模型加劲梁的设计
模型钢加劲梁采用薄钢板,通过焊接和铆钉连接,为了真实地模拟实桥钢箱的力学特性,箱梁内的纵、横隔板,桁架式腹板及加劲肋均按照相似比进行模拟,左幅桥加劲梁的标准截面如图2所示,右幅桥的截面与图2相同,中间通过横向连接箱与左幅桥相连。

加劲梁的竖向受力特性是试验的重点,因此试验模型严格满足竖向抗弯刚度的相似。

其次,尽量满足宽度相似,这样有利于研究宽跨比较大、分离式箱形梁的
受力特性、加劲梁的有效分布宽度和应力分布,以及
加劲梁中间横向连接箱的受力特性。

图2 模型加劲梁标准截面(单位:mm )
Fig .2 S tandard section of th e stiffen i ng gird er (un it :mm )
1.2 模型桥塔的设计
实桥桥塔为钢筋混凝土结构,试验模型采用钢
塔,按照桥塔的纵向、横向抗推刚度和轴向抗压刚度相似为原则设计桥塔。

按几何缩尺模型下塔柱将高达2m,不便于进行试验操作,模型设计中按照塔顶等抗推刚度原则将两塔下塔柱高度分别降低0.97m 。

桥塔横梁设计时满足竖向抗弯刚度的相似,每个桥塔横梁上设置四个竖向支座。

1.3 模型主缆和吊索的设计
对于主缆和吊索,最重要的是满足轴向刚度相似。

模型的主缆共两根,每根由37根直径1.6mm 的高强度弹簧钢丝组成,通过预张拉消除可能存在的非弹性变形后,将钢丝平行排列,按所需长度下料,在工厂制作好带锚头的模型主缆。

模型的吊索由2根直径1.6mm 的高强度弹簧钢丝组成,设计保证和原型吊索的面积相似。

吊索上端索夹采用钢丝绳夹具,下端通过螺纹锚杆与加劲梁伸臂处的锚板用螺母连接在一起。

1.4 模型的恒载补偿
悬索桥的成桥线形、内力状态与结构的自重相关,按照相似关系模型的质量达不到模型的理论质量,因此需要进行配重。

主缆的配重采用在主缆上穿挂圆柱块的方式来模拟单位长度重量与质量相似。

对于加劲梁,同时设计了一期恒载和二期恒载以及横向连接箱的配重,配重采用小块长方体混凝土块形
式,不同的梁段配重块尺寸不同。

1.5 模型的测试系统
模型试验的测试分为力、应变和位移的测试。

吊索力、主缆锚固力以及支反力的测试均采用应变式测力传感器,根据力的大小选择不同量程的传感器。

在每根吊索中间串联一个索力传感器,直接进行吊索力的测试;采用穿心式测力传感器穿挂于主缆的两端测试主缆锚固力。

加劲梁和桥塔上的应力采用电阻应变片和光纤光栅传感器两套系统进行测试,在加劲梁上共选择10个断面布置电阻应变片,共计406个电阻应变测试点。

另外,在加劲梁上还选择17个断面布置光纤光栅传感器,共计204个光纤光栅传感器。

加劲梁的竖向位移采用百分表测试,选择7个断面,每个断面布置4个百分表。

在中跨跨中布置千分表以监测加劲梁的横向位移。

1.6 模型与原型的相似关系
对于静力试验,模型与原型应满足几何条件、边
界条件以及物理参数的相似[2 3]。

几何条件相似:由于材料的限制,很难完全满足相似定律,根据结构的力学特性,设计时满足主要参数的相似,表1列出了试验模型主要设计参数最终采用值与理论值的差异;边界条件相似:模型中的支座位置和支撑方式与实桥基本一致,实桥中设置了横向限位支座,考虑到静力试验主要是竖向加载,侧向位移很小,故试验模型中没
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有设置横向限位支座;物理参数相似:模型试验中根据实测的影响线确定最不利弯矩的加载区间,荷载的大小满足相似比要求,但加载位置因加载空间的限制,横桥向难以布置八个车道,故将八车道荷载集中到一个车道上施加,这与实桥不一致,但计算模型中的加载与试验模型中的加载完全一致。

试验模型与原型基本满足相似关系,差异主要在模拟车道荷载时荷载横桥向的布置与实桥不同,使得实测应力不能准确转换为实桥应力,但计算模型的荷载布置与试验模型完全一致,试验结果与计算结果对比得出的规律是准确的。

表1 试验模型的主要设计参数
Tab le 1 M ai n d esign para m eters of the test model
构件主要设计参数理论值采用值差值(%)构件主要设计参数理论值
采用值
差值(%)主缆截面面积(mm 2)7.56E -017.44E -01-1.21横向连接箱
竖向抗弯惯矩(mm 4)
1.38E+06 1.40E+06
1.36吊索
截面面积(mm 2)
4.20E -024.02E -02-0.18桥塔纵向抗推刚度(kN /m ) 3.68E+02 3.79E+020.03加劲梁标准段竖向抗弯惯矩(mm 4)
8.36E +06
8.30E +06
-0.70
桥塔
横向抗推刚度(kN /m ) 2.10E+02 2.21E+02
0.
05
2 模型内力分配特性试验研究
结构在外荷载作用下的结构变形、内力分布、支反力等状态反映了结构承受外部作用的能力,是结构
静力性能的表现[4]。

在完成体系转换后的全桥模型结构上,施加重物模拟荷载,进行结构静力性能研究,试验内容包括:结构影响线试验和典型截面最不利弯矩加载试验。

2.1 计算模型
江东大桥的加劲梁采用分离式钢箱,横向通过连接箱加以连接,加劲梁在压弯荷载共同作用下受力是复杂的,为了准确地对结构进行受力分析,分别采用杆系有限元模型和全板壳的ANSYS 有限元模型进行计算。

杆系有限元模型采用西南交通大学开发的大跨度桥梁结构空间非线性计算程序B NLAS [5]
进行计算。

在杆系模型中,通过比较分析认为采用双主梁模型可更准确地反映结构的受力状态
[6]
,因此杆系有限
元模型采用双主梁的计算模型。

杆系计算模型中主梁的刚度采用全截面直接计算,未考虑刚度折减。

对板壳有限元模型,采用实际的截面建立计算模型。

杆系结构的双主梁空间有限元模型见图3(a),主梁为板壳结构的空间有限元模型见图3(b)。

2.2 模型影响线试验
2.2.1 模型影响线加载试验方法
研究结构的影响线或影响区间,是研究结构的力学特性的重要手段[7]。

在试验中,直接根据影响线的定义,将集中荷载沿跨度依次作用于边跨各指定截面及中跨各吊索截面处,每加载一次进行一次全面的测试,将测试结果依次排列起来,就得到所关心力素的影响线,共进行了主梁7个截面挠度影响线和26对吊索索力影响线的试验。

考虑到模型宽跨比大的特点,
分别采用对称加载和偏载两种加载方式,对称加载是指将荷载对称于桥纵轴线施加,作用于各加载截面的集中荷载为1193N;偏载是指将荷载偏向一幅桥布置,试验时将荷载布置在右幅桥并尽量偏向外侧布置以最大限度地考察模型的扭转性能,作用于各加载截面的集中荷载为1212N,该集中力横桥向向外侧偏离右幅桥纵轴线22c m 。

2.2.2 模型影响线加载试验结果
(1)模型加劲梁挠度影响线
图4是偏载作用下模型加劲梁中跨跨中截面处挠度影响线实测值与计算值的对比图。

图中横标是集中荷载的加载位置,表示与边墩A 的距离。

从图中可
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见,除加载位置所在截面附近的影响线实测值与计算值有一定的差异外,其他位置实测与计算接近。

在加载位置附近,实测值比按杆系模型的计算值要大,说
明实际的刚度比按杆系计算的要小;而实测值与按板壳模型的计算值是完全一致,这说明对于这种宽桥和分离箱梁结构,按杆系结构计算可能不能完全反映结构的力学特性,在荷载直接作用位置附近,箱梁截面可能没有全部参与作用,或者说剪力滞的影
响明显。

图4 偏载作用下加劲梁中跨跨中截面处挠度影响线Fig .4 D eflection influence li n es of m id span sect i on
at m i dd le span under eccen tr i c load s
(2)模型吊索力影响线
图5是偏载作用下模型13号吊索索力影响线实测值和计算值的对比图(吊索编号从桥塔A 到桥塔B 按1~26编号),从图中可见,实测的影响线曲线与计算曲线总体趋势是完全一致的,但实测的影响线在计算曲线附近上下波动,其原因在于每次测量时索力传感器存在正负误差约5~10N,在索力增量不大的情况下会使得实测索力和计算索力在数值上存在一定的差异。

按杆系模型与按板壳模型计算的结果基本没有差异,这说明吊索力的分配是与结构整体刚度有关的,加劲梁的剪力滞不影响吊索力的大小。

另外偏载作用下两侧吊索索力都是增加的,这说明截面的扭转刚度比较大,偏载作用下结构的整体性比较强,横向联系能满足加劲梁的整体性要求。

加劲梁其他截面的挠度影响线和其他吊索的索
力影响线和上面的结论是一致的。

图5 偏载作用下13号吊索的索力影响线F ig .5 In fluen ce lines of hanger tension of hanger
no .13under eccen tr ic loads
3 模型典型截面最不利内力加载试验研究
3.1 最不利弯矩加载试验方法
为了进一步考证和研究结构的静力特性,模型试
验在加劲梁上选定边跨跨中、桥塔处、中跨跨中、中跨1/4跨度处共四个截面进行最大、最小弯矩的车道荷载加载试验,分对称加载和偏载两种情况加以测试。

均布荷载的加载区间和集中荷载的加载位置根据相应弯矩影响线确定,荷载大小根据!公路桥涵设计通用规范∀按八车道考虑纵、横向折减系数同时考虑两倍的活载超载系数,加载总量按表2控制。

均布荷载用等效的集中荷载模拟,集中荷载的间距为20c m ,加载方法如图6所示。

为考察结构力学特性随加载量的变化情况,采用分级加载,对称加载共分八级,偏载共分六级,每加一级进行一次全面测试(包括吊索力、支反力、百分表、应变片及光纤光栅传感器),以考察应力和变形同加载量的关系。

在实际试验中,因加载空间的限制难以完全模拟各车道,为方便加载将八车道荷载集中到一个车道上。

本次试验共进行了14组最不利弯矩加载工况,限于篇幅仅列出中跨跨中最大正弯矩偏载试验的部分结果。

表2 模型试验车道荷载的模拟
T ab le 2 Si mu lati on of lane l oad i ng i n model test
荷载类型原型相似比模型系数八车道合计均布荷载(kN /m )10.5640.1647.76 1.273集中荷载(kN )
360
1024
0.352
7.76
2.728
注:表中系数为将八车道荷载集中到一个车道上的放大系数,考虑车道荷载纵、横向折减系数和2倍超载,即放大系数为:8#0.5#
0.97#2=7.76。

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年
图6 车道荷载最不利弯矩加载现场照片F ig .6 Photo of lane load i n g si m u l at i on in maxi m u m
mo m ent l oad i ng test
3.2 中跨跨中最不利弯矩偏载试验的试验结果(1)模型吊索力
图7是模型跨中处13号吊索在每级加载结束后索力值与加载量关系图,图中横坐标是每级加载量占加载总量的百分比,从图中可以看出:吊索索力和作用荷载基本上是线性关系,实测索力和计算索力相当吻合。

偏载作用下两侧吊索索力有明显差异,但都是增大的,说明结构虽然受扭转的影响比较大,但整体扭转刚度还是比较大,结构在偏载下的变形以竖向为主。

(2)模型主缆锚固力
图8是加载试验结束后模型主缆锚固力累计增量的实测值与计算值的比较,从图中可以看出:主缆锚固力的试验值略小于按板壳结构有限元模型计算的值,更小于按全截面计算截面特性的杆系结构有限元模型计算的值。

产生这种现象的一个原因是杆系有限元模型没考虑锚固力在梁截面的传递过程,即实际锚固点的纵向变形可能比按杆系结构计算的略大;另一原因可能是主缆在散索鞍处实际存在摩擦,而理论计算时散索鞍在支承面的切线方向是自由的,实际试验时该处并不是完全自由的,部分主缆力可能通过散索鞍的摩擦传给了主梁,导致主缆锚固力减小。

(3)模型桥塔横梁支反力
图9是加载试验结束后模型桥塔横梁四支座的支
反力累计增量的实测值与计算值的比较,从图中可以看出实测的支反力与两种有限元模型计算的有比较明显的差异,特别是靠外侧的支座,差异更大,两种计
算模型的计算值也存在一定差异。

这可能与桥塔处各支座支反力实际分配方式与计算模型不一致有关。

在计算模型中桥塔处各支座的模拟采用桥塔横梁上的节点与桥塔处的加劲梁外伸出的刚臂主从约束,模拟横梁的刚度参数选取,可能影响到桥塔处四个支点间力的分配,从而导致实测值与计算值偏差大。

这种现象说明,按这种形式布置的支座,计算中难以准确模拟,其支反力计算值可能与实际差异大。

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(4)模型加劲梁挠度
图10是模型加劲梁中跨跨中截面四个百分表在每级加载结束后实测挠度值和加载量的关系图,图中可见:结构的竖向变形和作用荷载基本是线性关系,
实测值和板壳模型计算值十分接近。

图10 加劲梁跨中截面竖向挠度每级加载实测值和
计算值对比图
F i g .10 Co m parison b et w een test and calcu lati on for
vertical deflection of m i d span section of th e
stiffen i ng gird er under step load i n g
图11是加载结束后模型中跨跨中截面四个百分表实测挠度和计算挠度的对比图,反映了加劲梁横断面的变形情况,在偏载作用下,整个加劲梁发生了扭转,靠近加载侧的百分表读数要大,这和实际情况相吻合。

图12是加载结束后模型顺桥向各条线上的百分表的竖向挠度曲线,反映了整个加劲梁的变形情况。

(5)模型加劲梁截面正应力
图13列出了模型加劲梁中跨跨中截面顶板、底的应力分布,横坐标是应力计算点与桥轴线的距离,图中三条曲线分别对应恒载、50%加载量和100%加载量下的截面应力分布情况,同时也给出了100%加载量下部分应变片的实测应力,
三条线基本是平行等间
图11 加载结束后跨中截面百分表竖向挠度实测值
和计算值对比图
Fig .11 Co m par ison of test and calculated vertical
deflect i on of m id span section at the end of l oad i ng
距的,说明了截面应力和加载量基本是线性关系。

这些曲线反映了不同状态下加劲梁横断面的纵向应力分布情况,在偏载作用下,加劲梁横断面上的应力分布是不均匀的,特别是在有集中力作用位置和有纵腹板位置,应力变化较大,截面应力分布存在明显的剪力滞效应。

但总的说来局部应力峰值不是很高,总体应力都在允许的应力范围内。

80
土 木 工 程 学 报2011年
4 结论
通过理论分析和模型试验的测试比较,可以得到空间缆自锚式悬索桥静力特性的几点结论:
(1)江东大桥模型桥的整个加劲梁按照和原型截面完全相似的几何形状设计成箱形截面,可以真实地模拟实桥宽跨比大、分离式钢箱的力学特性,保证试验结论真实可靠。

(2)成桥后活荷载作用下结构的非线性不明显,结构的变形与内力(吊索力、锚固力)以及支反力基本上与外荷载呈线性关系,叠加原理是可以应用的,采用影响线的方法进行设计,能保证设计的精度。

这与文献[8 9]结论一致。

(3)所有吊索的索力影响线曲线形状几乎都是一样的,最大值基本上出现在跨中位置,也就是说作用于中跨各个位置的荷载都是使吊索力增加的,中跨吊索力的最小值就是恒载索力,作用于某吊索位置的集中力对于该吊索的影响是有限的,这说明吊索的应力幅不会很高,不会因为作用较大的集中轮对力而使吊索力增加很多。

这是本试验得出的重要结论,这一结论适用于所有的自锚式悬索桥。

(4)薄壁、宽箱梁存在明显的剪力滞效应,箱梁截面的应力分布和变形受剪力滞影响较大,吊索力的分配受加劲梁剪力滞的影响很小。

这是本试验得出的重要结论,适用于薄壁、宽箱的自锚式悬索桥。

(5)结构的竖向刚度、结构抗扭刚度都比较大,结构稳定性比较好;采用的两分离箱的横向联结方法,能对这一宽桥提供足够的横向刚度;活载作用下,桥塔的纵向变形比较小,在偏载作用下桥塔顶有明显的横向变形,但结构稳定性满足要求。

对于这种通过横向连接箱联系的宽箱梁、独塔柱式空间缆自锚式悬索桥,试验证明其受力是合理的。

(6)实际结构中应要求散索鞍的活动状态达到设计的计算假定状态,否则这一位置可能会存在较高的剪力,影响散索鞍正常使用。

施工中应保证散索鞍在支承面上能自由滑动,使主缆拉力能顺利传递到锚跨。

(7)桥塔横梁处四支座支反力的实测值与两种有限元模型的计算值有比较明显的差异,这种现象说明,按这种形式布置的支座,其支反力计算值可能与实际差异大。

实桥在模型试验的指导下,成桥后对桥塔横梁的四个支座支反力进行了调整使其达到设计值,使结构受力更加合理。

对于这种同一截面处多支撑的结构体系采用成桥后调整支反力的方式非常有必要。

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Develop ment,2008,25(4):94 98(i n Chinese))
沈锐利(1963 ),男,博士,教授。

主要从事现代桥式及桥梁结构设计理论和桥梁结构动力响应的研究。

齐东春(1978 ),男,博士研究生,讲师。

主要从事现代桥式及桥梁结构设计理论的研究。

唐茂林(1972 ),男,博士,副教授。

主要从事大跨度悬索桥理论与实践的研究。