湟水河自錨式懸索橋靜載試驗研究

路 韡，李子奇，顧皓瑋

（1.西北民族大學 土木工程學院，甘肅蘭州 730124；2.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

由于自錨式懸索橋主纜直接錨固在加勁梁的兩端，主纜的水平分力由加勁梁承擔，使結構受力較地錨式懸索橋更加復雜，加之先梁后纜的施工順序，結構需要進行多次體系轉換，增加了橋梁設計和施工的難度。基于上述原因，自錨式懸索橋的成橋狀態和工程質量成為設計和運管部門關注的焦點，而靜載試驗是驗證設計的重要方法，是評定工程質量的主要依據，也是維護管理的關鍵數據[1-3]。

本文以湟水河自錨式懸索橋為背景，首先通過對現場各參數的實際量測，建立了符合實際狀態有限元模型，然后對實橋的靜載試驗進行了介紹，最后對模型計算結果和靜載試驗結果進行分析，得出了具有實用性的結論，為自錨式懸索橋進一步的研究、設計、施工和運營管理提供參考。

1 工程概況

湟水河自錨式懸索橋采用（24+65+158+65+24）m的橋跨形式，橋寬27.5 m，主纜成橋線型為多段懸鏈線，主跨矢跨比為1/6，全橋共設兩根主纜，每根由37根索股組成，橫向間距為19 m；吊桿采用鉛垂布置，標準段間距為6 m，索塔兩側為7 m，每個吊點設一根吊桿；主梁為單箱三室混凝土魚腹式梁，采用C50混凝土，梁高2.2 m；采用塔梁分離體系，主塔穿過主梁，塔頂設置框型橫梁結構，塔頂下橫梁為預應力混凝土結構，塔頂上橫梁為鋼結構。橋梁的總體布置形式見圖1所示。

圖1 湟水河自錨式懸索橋總體布置及吊桿編號示意圖（單位：m）

2 分析理論

對自錨式懸索橋進行有限元分析應首先確定其初始平衡狀態。初始平衡狀態為結構成橋后在自重作用下主纜與加勁梁平衡的狀態，在該狀態下應賦予主纜與吊桿合理的初始內力用以平衡加勁梁自重，初始平衡狀態是進行運營階段線性和非線性分析的前提。對于初始平衡狀態的計算方法沈銳利[4]提出了采用多段懸鏈線來精確計算懸索橋空纜和成橋狀態內力、線形和長度的解析算法，但無法全面考慮自錨式懸索橋系統受力狀態；Kim[5]建立三維彈性懸鏈線單元，利用節點間力的平衡關系，假設主纜水平方向的分力為定值，迭代求解主纜的坐標及內力，但計算結果是懸索橋理想狀態下的平衡關系，即各吊桿均勻的承擔梁段自重，索鞍兩側水平力相等，橋塔沒有縱向變形。而結構施工完畢后，各吊桿力值與設計值不盡相同，橋塔頂部索鞍兩側的水平分力并不相同。本文根據對現場各參數的實際量測，采用文獻[4]中介紹的方法，修正了索鞍頂部不平衡水平力，得到了空纜線形的解析解，又通過簡化的正裝分析過程，建立了符合實際狀態的有限元模型。

3 有限元建模

3.1 初始模型（見圖2）

根據設計資料建立自錨式懸索橋初始模型，全橋共16 443個節點，17 118個單元，其中橋塔、加勁梁采用空間梁單元模擬，主纜和吊索采用只受拉的桁架單元模擬，塔梁連接采用主從關系模擬并將其相同的自由度進行耦合，錨固區主梁和主纜采用剛臂連接，現澆臨時支架采用只受壓彈簧模擬。

圖2 湟水河自錨式懸索橋有限元模型

3.2 修正模型

3.2.1 實測數據

對1#、5#、8#、10#、13#、16#、19#、22#、25#、28#、31#、34#、36#、39#、43#上下游吊桿布置穿心式索力儀，測試吊桿力值，其吊桿編號詳見圖1所示。對沒有布置索力儀的吊桿，采用人工激振法測試吊桿力值。

對南北上下游橋塔進行極坐標四測回觀測，測定塔頂控制點縱向變形為南塔上、下游分別預偏28 mm、31 mm；北塔上、下游分別預偏21 mm、23 mm。

對主纜、吊桿采用生產廠家提供的抽檢數據；主梁采用現場鉆芯取樣后的測試數據。其主纜、吊桿彈性模量為(2.05±0.05)×105MPa，主梁彈性模量為3.49×104MPa。

3.2.2 簡化正裝分析

通過以上實測數據，采用解析算法得到結構的空纜狀態，通過賦予主纜單元初始內力建立有限元空纜狀態模型。結構吊桿安裝順序為由橋塔向兩岸及跨中對稱一輪張拉。

4 靜力特性分析

4.1 靜載試驗工況

湟水河自錨式懸索橋設計荷載為城市-A級，雙向4車道，兩側布置人行道。在靜載試驗中，選取錨跨跨中、邊跨跨中、梁塔結合部、1/4主跨、1/2主跨和橋塔底部截面為控制截面，使用三軸重車等代設計荷載。全橋靜載試驗共9個工況，其加載位置、加載效率、試驗目的見表1所列。

由于篇幅所限，僅列出工況8布載狀況，該工況采用6輛400 kN三軸重車，試驗等效彎矩值19 252 kN·m，布載情況見圖3所示。

4.2 測點布置

根據現場條件，采用靜態電阻應變測量控制截面的應變；使用全站儀進行四測回的三角高程測量測試主纜、加勁梁變形的撓度；使用全站儀進行極坐標四測回觀測測試橋塔縱向偏位；采用穿心式索力儀和人工激振法測試吊桿的振動頻率，以獲取吊桿力的變化情況。

4.3 理論分析與試驗結果對比

4.3.1 變形

表2列出了主梁、主纜和橋塔在工況8荷載作用下撓度（偏位）的實測值與理論值。由表2中的數據可知控制截面的試驗實測值均小于理論計算值，校驗系數均小于1.0，加勁梁跨中最大實測撓度為56.8 mm，小于L/600，橋塔最大水平偏位8.1 mm，說明結構整體剛度滿足城-A的設計要求，在試驗前和試驗過程中均未發現裂縫。

4.3.2 應力

表3列出了主梁和橋塔在工況8荷載作用下應力的實測值與理論值。由表3中的數據可知控制截面的試驗實測值均小于理論計算值，校驗系數均小于1.0，加勁梁跨中下緣最大應力值為1.71 MPa，下游側南塔受拉側應力為1.0 MPa，說明結構整體受力情況良好，加勁梁和橋塔截面強度滿足設計要求。

表1 靜載試驗工況一覽表

圖3 工況8荷載布置圖（單位：m）

表2 工況8撓度（偏位）實測值與理論值對比一覽表

表3 工況8應力的實測值與理論值對比一覽表

4.3.3 吊桿力

表4列出了19#～25#吊桿在工況8荷載作用下吊桿力增量的實測值與理論值，計算得出的吊桿力增量與實測基本一致，在活載作用下各吊桿力分配均勻。

4.4 結果分析

靜載試驗結果與理論計算值基本一致，表明湟水河自錨式懸索橋的強度、剛度達到了設計的要求，在設計活載作用下，結構處于彈性受力狀態，各吊桿力值均勻；修正的有限元模型很好地反映了實際橋梁的受力特性。

表4 工況8吊桿力增量實測值與理論值對比一覽表（單位：kN）

5 結論

（1）通過成橋后實測吊桿力、橋塔縱向變形和材料特性等參數，編制在塔偏狀態下計算空纜線形的解析程序，并以此建立空纜狀態下的有限元模型，按簡化的正裝分析過程調整吊桿安裝力值，得到符合實際狀態的修正有限元模型。

（2）靜載試驗結果表明，湟水河自錨式懸索橋的剛度和強度均滿足規范要求，本文分析方法與試驗結論對該橋的長期運營管理具有工程實際意義，對同類橋型設計與施工具有參考價值。

[1] Ochsendorf A,Billington P.Self-anchored Suspension Bridges[J].Journal of Bridge Engineering,1999,4(3):151-156.

[2] 周緒紅,武雋,狄謹.大跨徑自錨式懸索橋受力分析[J].土木工程學報,2006,39(2):42-45.

[3] 柯紅軍,李傳習,劉建.平勝大橋自錨式懸索橋靜載試驗與評價[J],公路交通科技.2009,(02):53-59.

[4] 沈銳利.懸索橋主纜系統設計及架設計算方法研究[J].土木工程學報,1996,(02):3-9.

[5] Kim H.K.,Lee M.J.,Chang S.P.Non-linear shape-finding of a self-anchored suspension bridge[J].Engineering Structures,2002,(24):1547-1559.