基于靜載試驗的自錨式懸索橋承載性能分析*

楊剛，余洋

（南京理工大學理學院土木工程系，江蘇南京 210094）

基于靜載試驗的自錨式懸索橋承載性能分析*

楊剛，余洋

（南京理工大學理學院土木工程系，江蘇南京 210094）

針對特定的交通運輸需求，每座橋梁必須滿足一定的承載能力。但受到外界環境的影響，橋梁在使用過程中會受到損傷，其承載能力也隨之發生變化。文中對南京市小龍灣橋自錨式懸索橋進行靜載加載試驗，分析不同荷載工況下主纜的位移、錨跨的內力增量及主梁的應力，評定其承載性能；通過MIDAS／Civil 2012建立有限元模型模擬汽車加載試驗，計算相同工況下橋梁的受力特性，并將兩者相互對比，評價小龍灣橋的承載性能。結果表明小龍灣橋具有良好的性能，足夠承擔現有的交通運輸需求。

橋梁；自錨式懸索橋；靜載試驗；受力特性

自錨式懸索橋以其優越的性能、優美的線形、新穎的外觀及選址靈活等特點在城市中小跨徑橋梁中成為一種極具競爭力的方案，同時其承載能力也越來越受到重視。為了確保懸索橋結構的承載能力，在橋梁驗收時需對橋梁進行荷載試驗。該文通過南京市小龍灣橋的汽車靜載試驗對懸索橋承載性能進行分析。

1 工程概況

小龍灣橋是一座主跨96 m的自錨式懸索橋，位于南京江寧區，是連接秦淮河兩岸的重要通道。主橋采用三跨自錨式懸索橋結構，雙塔雙索面布置，跨徑組合為（44+96+44）m=184 m。主塔采用燈塔造型，總高為35.4 m，橋面以上塔高22.6 m。主纜成橋線形采用二次拋物線，中跨矢跨比為1／5.5，主纜橫橋向中心距為18 m。加勁梁采用現澆預應力砼箱梁，梁高1.74～2.0 m。吊索標準間距為5 m，箱梁每5 m設置一橫梁與吊索對應。主塔采用直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁群樁基礎（見圖1～3）。

圖1 小龍灣橋立面圖（單位：m）

圖2 小龍灣橋平面圖（單位：m）

圖3 小龍灣橋主塔處橫斷面圖（單位：m）

2 有限元模擬

2.1 建立模型

利用MIDAS／Civil 2012進行橋梁結構空間有限元靜動力計算分析，懸索橋的加勁梁、橫梁、主塔、橋墩均采用梁單元模擬，主纜和吊桿則采用只受拉的桁架單元模擬，全橋共394個節點、318個單元。箱梁內側和懸索橋塔頂采用剛性連接約束，支座、散索鞍和錨固端采用彈性約束，吊桿與主梁連接采用一般支承約束。有限元模型見圖4。

2.2 模型材料特性

有限元模型中，主梁和橫梁采用C50砼，主塔

采用C40砼，主纜和吊桿采用高強鍍鋅鋼絲。材料特性和截面類型分別見表1、表2。

圖4 小龍灣橋有限元模型

3 靜載試驗

3.1 車載工況

根據《公路橋梁荷載試驗規程》，為了避免高溫、強光、強風、高濕度等自然條件對橋梁靜載試驗的影響，試驗在夜間進行。該橋靜載試驗采用10輛三軸載重汽車加載，其前輪軸重60 k N，后輪軸重120 k N，車輪縱向軸距分別為3.3和1.3 m，橫向輪距為1.8 m（見圖5）。

表1 有限元模型主要材料特性

表2 有限元模型主要截面特性

圖5 加載車輛布置（單位：m）

選定正載、偏載及扭轉三類主要工況對主橋進行成橋荷載試驗，根據最不利影響線原則進行荷載布置，以反映懸索橋結構的最不利受力狀態。主要測試工況加載位置及方式見表3，工況1時汽車的加載見圖6。

圖6 工況1時汽車加載示意圖（單位：m）

3.2 測試布控位置

為準確測量該橋主梁在不同靜載工況下主纜位移和主梁應力，開始試驗前，在南纜西邊跨跨中、中跨L／4、中跨跨中、中跨3L／4、東邊跨跨中［分別為圖7（a）中L1、L2、L3、L4、L5測點］粘貼反光片，在加勁梁邊跨跨中、中跨L／4處截面、中跨3L／4處截

面［分別為圖7（a）中S1、S2、S3、S4、S5截面］粘貼表貼式應變片。應力測點主要布置在中跨加勁梁、正交異性橋面板（局部加載測點）、吊索耳板、跨中兩吊索之間的橫隔板等部位。主纜位移和主梁應力測點布置見圖7。

圖7 主纜位移及應力測點布置

4 測試結果及分析

4.1 主纜位移

各加載工況下主纜位移實測值見表4，與計算值的對比見圖8。從表4可以看出：1）在工況1、工況3和工況5時，L1和L5的位移增量都為正值，最大位移增量分別為5.3和6 mm；L2、L3和L4都為負值，最大位移增量分別為-16.0、-30和-18.2 mm。表明當汽車靜載作用在中跨時，中跨主纜向下移動，邊跨主纜向上移動，符合橋梁的受力規律。2）在工況2和工況4時，L1的位移增量為負值，最大位移增量為-5.0 mm；L2、L3和L4都為正值，最大位移增量分別為4.0、4.0和1.0 mm；L5的位移增量為零。表明當汽車靜載作用在邊跨時，中跨主纜向上移動，受汽車靜載作用的邊跨主纜向下移動，但另一端不是。

表4 各加載工況下的主纜位移mm

圖8 主纜位移增量對比

從圖8可以看出：主纜位移增量的實測值與計算值貼合很好，且大部分計算值比實測值小，說明橋梁的剛度值比預計的好。當車輛加載在中跨時，主纜測點位移趨勢一致呈V字形，兩端主纜位移方向向上，與中間主纜測點位移方向相反，兩端位移小于中間位移。當車輛加載在邊跨時，主纜測點位移方向與車輛加載在邊跨時完全相反，中間測點位移向上，兩端測點位移向下。

4.2 錨跨內力增量

各加載工況下錨跨內力增量實測值見表5，與計算值的對比見圖9。

從表5可以看出：1）在工況1、工況2和工況5時，4個錨跨的內力增量較平均，分別為822.5～922、507.5～581.5、529.6～590.8 k N，說明該橋在主梁受到對稱荷載時內力傳遞合理。2）在工況3和工況4時，4個錨跨的內力增量差別較大，最大、最小差值分別為343.3和255.4 k N，且南邊錨跨的內力增量明顯大于北邊錨跨的內力增量，這是由于這兩種工況下汽車荷載作用在南邊主梁上。因此，錨跨內力差異較大也是合理的。

表5 各加載工況下的錨跨內力增量k N

圖9 錨跨內力實測值與計算值對比

從圖9可以看出：各工況下，主纜錨跨內力增量的實測值與計算值十分接近，最大錨跨內力增量實測值與計算值的偏差大都為-0.1%～-3.1%，且錨跨內力計算值與實測值相比偏大。說明該橋的整體剛度比預設計的好，橋梁整體構件性能良好，傳遞內力合理。

4.3 主梁應力

選取S3截面（中跨跨中截面）作為應力測試值與計算值對比截面，應力實測值見表6，與計算值的對比見圖10。

表6 各加載工況下S3截面的應力MPa

圖10 應力實測值與計算值對比

從表6可以看出：1）在工況1、工況3和工況5時，各測點應力值都為正值，S3截面梁底受拉，最大拉應力分別為2.07、2.21、1.1 MPa，實測卸載后的殘余應變均小于±2με，說明在設計荷載作用下該橋處于彈性工作階段，工作性能良好。2）在工況2和工況4時，各測點應力值都為負值，S3截面梁底受壓，最大壓應力分別為0.14、0.10 MPa，且應力波動小，說明該橋處在彈性工作階段，性能良好。

從圖10可以看出：主梁應力實測值與計算值十分接近，兩者差值為-1～1 MPa，最大偏差出現在工況3下4號測點處，為-1.24 MPa。表明在成橋

階段，在車輛靜載作用下主梁截面應力合理。

5 結論

（1）在試驗荷載作用下，主纜變形趨勢與計算值基本一致，說明結構剛度符合設計要求。

（2）各受力工況下主纜錨跨內力增量與計算值基本一致，說明結構主要受力體系合理，與設計吻合，同時說明橋梁主跨結構分析模型能較精確地反映大橋結構的實際情況。

（3）在靜載試驗下，主梁實際受力與設計吻合較好，卸載后應力回零良好，最大應力值在C50砼允許范圍內，說明結構具有足夠的強度，且材料受力處于彈性狀態，結構具有足夠的安全儲備。

根據結構表觀狀況檢查結果，該橋橋面鋪裝、橋面系各構件均完好；主梁線形平順，砼澆筑質量較高；支座完好；主塔各部分砼完好；主纜涂裝完好，主鞍座、散索鞍、主纜索股錨頭和吊桿錨頭完好，吊桿防護較好?？傊?，該橋外觀質量較好，施工質量較高，結構完好，承載能力能滿足設計荷載的要求。

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1671-2668（2016）06-0177-05

2016-07-15

國家自然科學基金青年基金項目（51208260）