馬鞍山長江大橋右汊斜拉橋主橋拱形塔1∶10整體模型試驗

　　摘 要：馬鞍山長江大橋右汊主橋為新型預應力混凝土三塔拱形斜拉橋，為了分析該新橋型的整體受力性能，進行了1∶10幾何縮尺預應力混凝土模型試驗。對模型試驗的設計、模型材料與制作、模型制作重難點控制、模型整體受力測試系統與加載方法、模型的測點布置、模型試驗的工況與試驗內容等模型試驗方法問題進行了具體分析，得出了相關試驗分析結論，對本工程橋梁實際施工起到了指導意義，對類似橋梁模型試驗具有較好的指導作用。
　　關鍵詞：三塔拱形斜拉橋 模型制作控制 試驗方法
　　中圖分類號：U445文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0033-01
　　本課題結合馬鞍山長江公路大橋右汊斜拉橋的特點，綜合考慮在拱塔結構設計理論和施工監控的關鍵技術難題，在國內外首次開展拱塔結構整體模型試驗研究。研究成果為馬鞍山長江公路大橋結構優化設計與安全施工提供重要的科學依據和技術保障。
　　1 工程概況
　　1.1 項目概況
　　馬鞍山長江大橋右汊斜拉橋為三塔半橢圓形拱塔斜拉橋，為橋梁造型賦予了創新理念，結構新穎、簡潔美觀、清新明快。工程范圍內K14+120～K14+880段為右汊主橋斜拉橋，主橋跨徑布置為（38+82+2×260+82+38）m，全長760m，為三塔六跨的雙索面半漂浮體系斜拉橋。
　　2 拱塔模型的設計
　　根據模型試驗研究目的，綜合考慮試驗內容、模型材料、制作精度和試驗場地基礎等條件，擬采用與實際結構相同的材料（混凝土和鋼材）進行模型制作。根據實驗理論及實際橋梁的對稱性，試驗模型依據下列原則進行設計：模型和實橋要幾何相似、邊界條件相似、應變相似、對應截面剛度相似等。模型按1∶10的幾何縮尺進行設計、且根據結構與受力的對稱原理設計。拱塔整體模型設計包括拱塔結構模型設計和拱塔加載系統設計。拱塔結構模型設計包括模型幾何物理特性計算、模型施工圖設計等；拱塔加載系統設計包括加載位置、加載設備、加載結構、加載方式的設計。
　　3 模型制作重難點施工、測試系統、加載方法
　　3.1 模型的制作重難點控制
　　本次橋梁實體模型制作重難點施工：拱塔模型模板精度加工及線型控制、拱塔斜拉索準確定位控制、拱塔混凝土施工控制、拱塔預應力施工控制、拱塔整體受力系統測試監控，如圖1，圖2所示。
　　3.2 模型的測試系統
　　數據采集系統由三個部分組成：傳感器部分、數據采集儀部分和計算機（控制與分析器）部分。傳感器部分包括前面所提到的各種電測傳感器；數據采集儀部分包括：與各種傳感器相對應的接線模塊和多路開關，主機，儲存器，其它輔助部件；計算機部分包括：主機、顯示器、存儲器、打印機、繪圖儀和鍵盤等，HY-65B3000B靜態應變傳感器的數據采集。
　　3.3 測試儀器及加載設備
　　試驗測試儀器和加載設備主要包括：（1）測試儀器。無線數碼靜態應變傳感器、無線數據收發器、靜態數據采集軟件、壓力傳感器、綜合測試儀、索力測試儀、電阻應變片、日本T303數據采集系統、瑞士徠卡全站儀TC2002、瑞士威特精密水準儀N3、瑞士徠卡反射小棱鏡GMP111、瑞士徠卡反射片、鋼水準尺、位移計、裂縫觀測儀、數字溫度儀、數碼照相機、筆記本電腦等。（2）加載設備。千斤頂、扭矩扳手等。
　　4 模型試驗的工況與內容
　　4.1 試驗工況
　　主要加載系統：恒載補償、橫梁支座反力、塔柱橫向預應力、橫梁預應力、斜拉索索力。
　　馬鞍山長江大橋右汊斜拉橋拱塔結構模型試驗為期30天，共進行了9個試驗工況，分別采集了各工況下的斜拉索索力、混凝土表面應變、鋼筋應變、索塔變形及裂縫觀測等重要數據。集中分析了試驗工況5（施工階段最大懸臂階段）、工況6（施工階段二次調索階段）、工況7（正常使用極限狀態）、工況8（承載能力極限狀態）及工況9（1.2倍承載能力極限狀態）的測試結果，包括斜拉索索力測試值、混凝土表面應變測試值、鋼筋應變測試值、索塔變形及裂縫觀測結果。
　　4.2 實驗內容
　　在模型試驗中，主要是對拱塔結構關鍵部位進行應力測試和變形觀測。試驗測試內容主要有以下幾點。
　　（1）索塔關鍵截面的縱向受力鋼筋應變測量，在施工的過程中埋設鋼筋應變片。（2）索塔關鍵截面的混凝土應變，在混凝土表面粘貼無線應變計。（3）索塔關鍵部位的變形，在其表面布設全站儀棱鏡觀測點和千分表以便測量。（4）索力測試，張拉前對千斤頂進行標定，張拉過程中借助千斤頂的油壓表來控制，同時利用穿心式壓力傳感器和索力測試儀進行索力測試和校核。（5）裂縫觀測在混凝土的外表面，用裂縫觀測儀和放大鏡觀測每級荷載下有無裂縫展開，以及各工況下的裂縫分布和寬度，并繪出裂縫分布圖。
　　5 模型試驗結果分析與結論
　　本模型進行了各種工況下的斜拉橋全橋整體受力性能的試驗，明確了新型體系預應力混凝土部分斜拉橋的整體受力性能，對該類型拱塔橋梁的設計和施工提供了具體的實驗數據，也對該類型部分斜拉橋進行深入理論分析研究具有重要的意義。在試驗過程中得出以下結論。
　　（1）部分斜拉橋實體模型的設計和施工是一道重要的工序，嚴格按照比例要求制作，可以保證結構受力和實際橋梁具有可比性。（2）部分斜拉橋拱塔模型試驗應注意材料的選用和加載控制。（3）部分斜拉橋拱塔模型試驗加載系統的安裝、定位、載重、加載點、觀測點、需要在試驗前明確。（4）部分斜拉橋拱塔模型試驗的測點和測試工況應根據橋梁受力的具體情況確定。（5）塔體混凝土和鋼筋整體應變不大，距離塔頂端1/3范圍內混凝土出現少量豎向微應變，塔根部混凝土出現少量橫向微應變，此兩處為塔體混凝土薄弱區段，易誘發塔體局部混凝土開裂，建議在施工過程中注意該區段混凝土的振搗密實和保護層厚度。（6）塔體順橋向和橫橋向精軋螺紋鋼筋預應力約為對應區域斜拉索索力的四倍或者更高，該預應力的安全儲備過大，在保證塔體不被拉裂的同時也將帶來一定的負面效應，比如精軋螺紋鋼錨固出口處的混凝土易被壓碎等。建議在可能的情況下，合理降低精軋螺紋鋼的預應力。
　　參考文獻
　　[1]馬鞍山長江公路大橋工程可行性研究報告[R].
　　[2]馬鞍山長江公路大橋跨江主體工程施工設計圖紙，第三冊，右汊主