大跨度斜拉橋索塔節段足尺模型試驗研究

虞奇 李靖 聶磊鑫 劉韶輝

摘 ?要：文章以唐山二環路上跨津山鐵路等既有鐵路立交橋轉體斜拉橋為工程背景，通過索塔節段錨固區足尺模型試驗，研究了索塔錨固區的受力性能及應力分布規律，觀察關鍵測點的應力應變及模型變形情況，對索塔錨固區的承載能力作出評價。得到的結論對指導實際工程有重要意義。

關鍵詞：斜拉橋;索塔錨固區;足尺模型試驗

中圖分類號：U446 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0001-05

Abstract： Based on the engineering background of Tangshan Second Ring Road， Jinshan Railway and other existing railway overpasses， this paper studies the mechanical performance and stress distribution law of the cable-pylon anchorage zone. The stress and strain of key measuring points and the cracking and deformation of the model are observed through the full-size model test of the cable-pylon anchorage zone. The bearing capacity of the cable-pylon anchorage zone is evaluated. The conclusions obtained are of great significance to guide the actual project.

Keywords： cable-stayed bridge; cable-pylon anchorage zone; test of full-size model

1 試驗模型設計及制作

1.1 試驗模型設計依據

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立全橋空間靜力模型，計算模型如下圖1所示。加勁梁、混凝土主塔、承臺采用梁單元，斜拉索采用桁架單元。加勁梁采用單主梁模型，支座均采用抗震支座，斜拉索與主梁、主塔之間采用剛性連接，根據《公路橋涵設計通用規范》[1]關于荷載組合的規定施加相應荷載。

根據計算結果，靠近索塔頂部的第16對拉索表現出最大索力，最大索力為3409.5kN。結合該橋布索形式發現，16號對索與斜拉橋的水平夾角最小，對拉索分配給索塔水平方向的力也最大，從而使拉索影響區域內的索塔的腹壁承受更大的荷載。因此，索塔節段足尺模型試驗選用第16對拉索所在的節段進行試驗研究。節段模型完全按照設計圖紙加工，為方便加載，模型倒置[2-4]。

1.2 試驗模型制作

模型在實橋現場澆筑制作1：1足尺模型，共包含8束環向預應力筋（4束N1、4束N2），全部預力筋采用符合GB5224標準的φs15.2mm鋼絞線，其標準強度fpk=1860MPa，彈性模量E=1.95×105MPa，以內徑為120mm的塑料波紋管形成預應力孔道，模型混凝土強度等級為C55。模型制作場地平整夯實，澆筑10公分混凝土地板，并鋪蓋一層薄鋼板上鋪油氈以此消除模型底部的摩擦力，模型倒置。

1.3 模型變形測點布置

為了能夠更好地探究混凝土內部的應力規律，在模型內部預埋13支BGK-4210型振弦式應變計。在模型表面安設32支百分表測試模型的變形及位移情況。振弦式應變計布置如圖2所示。

1.4 加載過程

為保證試驗精度，荷載以千斤頂油表讀數為控制。試驗模型加載示意圖如圖3所示。采用HBM-1-MX1615B數據采集系統，能夠更加精確的記錄試驗過程中的數據，反映模型最真實的受力情況。按照測點應變片的數量設置對應的溫度補償片確保試驗數據更加準確[8-10]。加載過程分預應力張拉和索力加載兩個階段，索力加載分兩次進行：

（1）以正常工作索力（3400kN）為加載目標，為確保加載力均勻，將3400kN分為5個加載等級，每一級加載之后需要保持荷載15分鐘，確保索力準確的傳遞給索塔模型，在此期間觀察模型應力情況。此加載節段重復進行三次。分級情況如下：0kN→700kN→1400kN→2100kN→2800kN→3400kN→ 2100kN→1400kN→700kN→0kN;

（2）在正常工作索力加載之后繼續增大索力，直至

9000kN，試驗時在加載到正常工作索力后，按500kN進行分級加載，每級荷載持荷10分鐘，并觀察應變、整體變形，當試件出現大范圍開裂時，試驗須停止。分級情況如下：0kN→3400kN→4000kN→4500kN→5000kN→5500kN→6000kN…至9000kN。加載完成后，模型錨固區外側裂縫情況如圖4所示。

2 試驗結果分析

2.1 正常工作索力測點應力結果及分析

圖5和6分別為索塔節段模型錨固區腹板外側和內側部分測點在正常工作索力作用下的應力分布，除個別測點外，測點應力增量隨荷載增加基本呈線性增長，表明模型錨固區腹板在整個應力加載過程中一直處于彈性工作狀態，具有足夠的承載能力。不同于錨固區外側測點，腹板內側拐角處的測點承受較小的拉應力，測點應力增量最大為0.86MPa;中間位置的測點受到千斤頂傳遞過來的索力作用，壓應力逐漸增大，齒塊附近測點受到齒塊的保護，測點應力變化較小，與外側索管口對應位置的測點壓應力增量較大，最大為-3.217MPa。模型在錨固區腹板上表現出壓彎受力狀態，腹板內側受壓，腹板外側受拉。

圖7和8分別為索塔節段模型非錨固區腹板外側和內側部分測點在正常工作索力作用下的應力分布，大部分測點應力增量隨荷載增加基本呈線性增長，個別測點有較小的應力突變，應為混凝土表面裂縫所致，模型非錨固區腹板在整個應力加載過程中始終處于彈性工作狀態。腹板外側測點主要承受壓應力，應力大小呈十字形分布，越靠近模型中間位置，測點壓應力增量越大，最大為-3.23MPa;不同于腹板外側測點普遍受壓，內側測點基本上都表現出受拉狀態，測點在齒塊與腹板交接處有較大的拉應力，為7.26MPa，下方位置測點拉應力大于上方測點，類似于錨固區腹板，非錨固區腹板處于一種拉彎工作狀態，非錨固區腹板內側受拉，外側受壓。

2.2 9000kN超載索力測點應力結果及分析

圖9 S位置左側部分測點應力增量分布曲線圖

由圖9可知，在9000kN超載索力作用下，索塔節段模型錨固區腹板外側測點普遍承受了較大拉應力;位于腹板上側如S-L-2、S-L-7測點的拉應力增量表現出較好的線性關系，表明該部分測點處于正常受力狀態;S-L-6和S-L-8等測點在7000kN加載力前處于線性增長階段，應力增量在9MPa左右;當荷載增大到7500kN時該部分測點產生應力突變的現象，混凝土材料表現出非線性發展。觀察試驗模型，發現測點處確實有裂紋產生，測試結果與試驗現象基本一致。由圖10可知，錨固區腹板內側測點隨位置的不同，表現出不同的受力狀態;在模型拐角處，測點主要承受拉應力，在齒塊上側測點主要承受壓應力，且隨荷載增大而增大;S′-3等部分測點在6000kN加載力前處于線性增長階段，應力增量在3MPa左右，當荷載增大到6500kN時該部分測點出現應力突變的現象，表明這些測點已經開裂;S′-9、S′-10等部分測點的應力在7500kN時應力增量急劇增大，表明該處測點已達到抗壓能力極限狀態，即將開裂。錨固區腹板關鍵部位測點基本以7500kN為界表現出開裂現象，但模型仍然能夠正常受力，證明模型有足夠的安全儲備。

圖11可知，在9000kN超載索力作用下，索塔節段模型非錨固區腹板外側的中間位置普遍承受了較大的壓應力;荷載加載至8000kN時，除個別測點外，測點的壓應力增量均表現出較好的線性關系，表明該部分測點處于正常受力狀態。繼續加載發現部分測點的應力增量急劇增大，尤其是靠近模型下方測點，觀察模型發現底部已產生多條裂紋，并表現出向上蔓延的趨勢，表明模型底部已到達承載能力極限狀態。位于兩側的測點普遍承受拉應力，當荷載達到7500kN時，大部分測點表現出應力衰減，表明測點位置即將破壞。圖12可知，不同于腹板外側測點，在9000kN超載索力作用下，非錨固區腹板內側測點普遍承受了較大的拉應力。大部分測點在6500kN荷載前表現出較好的線性關系，模型工作狀態良好。在6500kN之后測點逐漸表現出應力下降狀態，觀察模型內側發現該處已產生部分細微裂縫，尤其是靠近齒塊交界位置，測點即將破壞。

2.3 模型變形

圖13和圖14為索塔節段模型在9000kN超載索力作用下腹板的撓度變形圖。錨固區腹板在索力作用下表現為外凸變形，腹板左右兩側變形量較為對稱，表明索力加載受力方向比較準確;在腹板邊緣位置變形量較小，為0.4mm左右，靠近索管口，腹板變形越大，變形為0.65mm左右，結合測點應力結果，錨固區腹板處于一種彎剪受力狀態。類似于錨固區腹板變形，非錨固腹板在整個截面的變形較為對稱，但是不同于錨固區腹板的外凸，表現為內凹變形狀態，同樣腹板邊緣兩側相對于腹板中間變形偏小，僅為-0.21mm，腹板中間位置變形量最大，為-0.43mm，結合測點應力結果，非錨固區腹板處于一種拉彎狀態。

3 結論

本文結合唐山二環線斜拉橋背景介紹了索塔錨固區節段足尺模型試驗內容，包括索塔節段模型的設計制作、模型箱壁表面應力應變的測點布置以及索塔節段模型靜載試驗，通過以上研究，可以得到以下結論：

（1）正常工作索力作用下，索塔節段模型測點應力增量隨荷載增加成線性增長，表明模型整個應力加載過程中一直處于彈性工作狀態，具有足夠的承載能力。錨固區腹板處于壓彎狀態，腹板外側受拉，腹板內側受壓;非錨固區腹板受力與之相反，處于拉彎受力狀態，腹板內側受拉，腹板外側受壓。

（2）索塔節段模型在超載索力荷載作用下，非錨固區腹板會先于錨固區腹板開裂。以混凝士達到抗拉強度標準值時的斜拉索索力作為開裂荷載，索塔節段模型錨固區腹板開裂荷載為7500kN左右;索塔節段模型非錨固區腹板開裂荷載為6500kN左右。索塔節段模型有足夠的承載安全儲備，模型設計合理。

（3）索塔節段模型在9000kN索力荷載作用下，錨固區腹板表現為外凸變形，腹板邊緣位置變形量較小，越靠近索管口，腹板變形越大;非錨固腹板在整個截面表現為內凹變形狀態，與錨固區腹板相似，腹板兩邊邊緣位置變形量較小，腹板中間位置變形量最大。這與索塔節段模型上測點的應力結果相一致。

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