自錨式懸索橋分部位校驗(yàn)系數(shù)合理取值研究

王 通，楊 康，王毓晉，鄭招仁

(1.浙江舟山北向大通道有限公司，浙江 舟山 316000； 2.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000；3.寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

自錨式懸索橋不同于傳統(tǒng)的梁橋，也有別于地錨式懸索橋，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，不同構(gòu)件所受荷載的形式也不同，若單純采用某一構(gòu)件的校驗(yàn)系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)整體做出評(píng)價(jià)顯然不合理[1]。目前，規(guī)范中并未針對(duì)自錨式懸索橋這種橋型給出精確的校驗(yàn)系數(shù)取值范圍。基于國內(nèi)多座自錨式懸索橋荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要包括主梁應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)、吊索索力校驗(yàn)系數(shù)、塔頂偏位及塔底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)，對(duì)其合理取值進(jìn)行研究，借助Minitab對(duì)各部位構(gòu)件校驗(yàn)系數(shù)取值范圍合理分類，事實(shí)上是對(duì)規(guī)范進(jìn)行細(xì)化及驗(yàn)證，為后續(xù)該橋型總體評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 現(xiàn)有評(píng)定方法

結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)是指試驗(yàn)荷載下結(jié)構(gòu)應(yīng)變(應(yīng)變)或變形的實(shí)測值與理論計(jì)算值的比值，用符號(hào)η表示。校驗(yàn)系數(shù)是評(píng)價(jià)橋梁承載力的重要指標(biāo)，針對(duì)不同橋型、不同部位校驗(yàn)系數(shù)取值范圍也不同。一般地，當(dāng)η≤1表明結(jié)構(gòu)承載力滿足規(guī)范要求，工作性能較好；當(dāng)η>1表明工作狀態(tài)不理想，承載力不足。校驗(yàn)系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備越大；反之，結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)系數(shù)也越高，JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》給出常見橋型校驗(yàn)系數(shù)常值[2]，如表1所示。

表1 不同橋型校驗(yàn)系數(shù)常值

2 分部位校驗(yàn)系數(shù)研究意義

本文主要對(duì)鋼主梁、塔柱、纜索三大構(gòu)件校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行合理取值分析。基于文獻(xiàn)及相關(guān)荷載試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件Minitab對(duì)主梁應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)、塔頂偏位及塔底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、主纜拉力測試及吊索索力校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行95%置信區(qū)間的正態(tài)分布檢驗(yàn)。開展自錨式懸索橋分部位校驗(yàn)系數(shù)合理取值研究有如下幾點(diǎn)意義[3-4]：①不同構(gòu)件受力不同，吊索承受拉力，主梁主要承受彎矩與軸力；②不同構(gòu)件所用材料不同，塔柱一般為混凝土結(jié)構(gòu)，主梁和纜索多為鋼材；③不同構(gòu)件采用的測試儀器及方法不同；④建立A(優(yōu))、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)更細(xì)致、合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)意義重大。

3 分部位校驗(yàn)系數(shù)

3.1 鋼主梁構(gòu)件校驗(yàn)系數(shù)

本文基于國內(nèi)多座自錨式懸索橋荷載試驗(yàn)資料，隨機(jī)選出鋼主梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)180組樣本，考慮篇幅僅列出100組樣本(見表2)，借助Minitab對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[5]，為主梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)服從95%置信區(qū)間的概率分布如圖1所示，主梁校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析如圖2所示。

表2 自錨式懸索橋鋼主梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)樣本

圖1 主梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)概率分布

圖2 主梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

本文規(guī)定樣本均值在95%置信區(qū)間0.79～0.83為工作最佳[6]，為A類；校驗(yàn)系數(shù)為1表示實(shí)測值等于理論值，承載力滿足規(guī)范的上限值，當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)在0.83～1.00規(guī)定為C類；因?yàn)樾ｒ?yàn)系數(shù)服從正態(tài)分布，則主梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)下線為0.79-0.17=0.62，規(guī)定0.62～0.79為B類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)>1認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力不足，規(guī)定為E；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)過小，認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)過高，經(jīng)濟(jì)性差，規(guī)定0～0.62為D類[7]。

隨機(jī)抽取了100組鋼主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)樣本，如表3所示。借助Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)概率圖如圖3所示，鋼主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

表3 自錨式懸索橋鋼主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)樣本

圖3 主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)概率分布

圖4 主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

本文規(guī)定樣本均值在95%置信區(qū)間0.81～0.86為主梁工作最佳，為A類；校驗(yàn)系數(shù)為1表示實(shí)測值等于理論值，承載力滿足規(guī)范的上限值，規(guī)定0.86～1.00為C類；因校驗(yàn)系數(shù)服從正態(tài)分布，則主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)下限為0.81-0.14=0.67，規(guī)定0.67～0.81為B類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)>1認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力不足，規(guī)定為E類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)過小，認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力過大，安全系數(shù)過高，經(jīng)濟(jì)性差，規(guī)定0～0.67為D類。

3.2 纜索構(gòu)件的校驗(yàn)系數(shù)

隨機(jī)抽取100組自錨式懸索橋吊索索力增量校驗(yàn)系數(shù)樣本，如表4所示。借助Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，吊索索力增量校驗(yàn)系數(shù)概率分布如圖5所示，吊索索力增量校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析如圖6所示。

表4 自錨式懸索橋吊索索力增量校驗(yàn)系數(shù)樣本

圖5 索力增量校驗(yàn)系數(shù)概率分布

圖6 索力增量校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

本文規(guī)定樣本均值在95%置信區(qū)間0.80～0.85為工作最佳，為A類；校驗(yàn)系數(shù)為1表示承載力滿足規(guī)范的上限值，規(guī)定0.85～1.00為C類；因校驗(yàn)系數(shù)服從正態(tài)分布，則吊索索力校驗(yàn)系數(shù)下限值為0.80-0.15=0.65，規(guī)定0.65～0.80為B類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)>1認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力不足，規(guī)定為E類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)過小，認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力過大，安全系數(shù)過高，經(jīng)濟(jì)性差，規(guī)定0～0.65為D類。

主纜內(nèi)力增量的測試一般在錨跨中心索股處預(yù)埋壓力傳感器[8]，本文隨機(jī)抽取70組自錨式懸索橋主纜內(nèi)力增量校驗(yàn)系數(shù)樣本，如表5所示，主纜內(nèi)力增量校驗(yàn)系數(shù)概率分布如圖7所示，主纜內(nèi)力增量校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析如圖8所示。

表5 自錨式懸索橋主纜內(nèi)力增量校驗(yàn)系數(shù)樣本

圖7 主纜內(nèi)力增量校驗(yàn)系數(shù)概率分布

圖8 主纜內(nèi)力增量校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

本文認(rèn)為樣本均值在95%置信區(qū)間0.78～0.84為工作最佳，規(guī)定為A類；校驗(yàn)系數(shù)為1表示實(shí)測值等于理論值，承載力滿足規(guī)范的上限值，規(guī)定0.87～1.00為C類；因校驗(yàn)系數(shù)服從正態(tài)分布，則主纜內(nèi)力增量校驗(yàn)系數(shù)下限為0.78-0.13=0.65，規(guī)定0.65～0.78為B類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)>1認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力不足，規(guī)定為E類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)過小，認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力過大，安全系數(shù)過高，經(jīng)濟(jì)性差，規(guī)定0～0.65為D類。

3.3 主塔構(gòu)件的校驗(yàn)系數(shù)

隨機(jī)抽取70組塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)樣本，如表6所示。借助Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)概率分布如圖9所示，塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析如圖10所示。

表6 自錨式懸索橋塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)樣本

圖9 塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)概率分布

圖10 塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

本文認(rèn)為樣本均值在95%置信區(qū)間0.67～0.75為工作最佳，規(guī)定為A類；校驗(yàn)系數(shù)為1表示實(shí)測值等于理論值[9]，規(guī)定0.75～1.00為C類；因校驗(yàn)系數(shù)服從正態(tài)分布，下限值為0.67-0.25=0.42，規(guī)定0.42～0.67為B類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)>1，認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力不足，規(guī)定為E類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)過小，認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力過大，安全系數(shù)過高，經(jīng)濟(jì)性差，規(guī)定0～0.42為D類。

基于上述分析對(duì)主梁、主塔、纜索三大構(gòu)件進(jìn)行校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，建立了A(優(yōu))、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)較為細(xì)致、合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表8所示。

表8 自錨式懸索橋分部位校驗(yàn)系數(shù)合理取值分類

4 結(jié)語

本文基于國內(nèi)多座自錨式懸索橋荷載試驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)原理開展了主梁、主塔、纜索三大構(gòu)件的校驗(yàn)系數(shù)合理取值研究，對(duì)主梁應(yīng)變(應(yīng)力)、主梁撓度、吊索索力增量、主纜內(nèi)力增量、塔頂偏位及塔底應(yīng)變(應(yīng)力)校驗(yàn)系數(shù)取值范圍進(jìn)行分析，主要以承載力、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律等相關(guān)要求，建立了A(優(yōu))、B(良)、C(中)、D(差)、E(劣)較為細(xì)致、合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本文認(rèn)為樣本均值在95%置信區(qū)間0.70～0.75為工作最佳，規(guī)定為A類；考慮到校驗(yàn)系數(shù)為1滿足規(guī)范的上限值，規(guī)定0.75～1.00為C類；因校驗(yàn)系數(shù)服從正態(tài)分布，則塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)下限為0.70-0.25=0.45，規(guī)定0.45～0.70為B類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)>1認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力不足，規(guī)定為E類；當(dāng)校驗(yàn)系數(shù)過小，認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載力過大，安全系數(shù)過高，提高了建造成本，規(guī)定0～0.45為D類。

隨機(jī)抽70組自錨式懸索橋塔底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)樣本，如表7所示。借助Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，塔底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)概率分布如圖11所示，塔底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析如圖12所示。

表7 自錨式懸索橋塔底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)樣本

圖11 塔底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)概率分布

圖12 塔底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析