杭州江东大桥静力特性全桥模型试验研究

第44卷第1期2011年1月土 木 工 程 学 报CH I NA C I V I L ENG I NEER I NG J OURNALV o.l44Jan.N o.12011作者简介:沈锐利,博士,教授收稿日期:2009 05 13杭州江东大桥静力特性全桥模型试验研究沈锐利 齐东春 唐茂林(西南交通大学,四川成都610031)摘要:杭州江东大桥是一座独柱桥塔、空间缆索、分离式钢箱、单跨悬吊、主梁宽达47m的自锚式悬索桥。

按照几何缩尺比1 16、力缩尺比1 4的相似比设计了全桥试验模型,利用试验模型研究了结构成桥后的静力力学特性。

试验测试了结构的影响线,并根据影响线确定最不利弯矩的加载区间,全面研究了结构在多种工况下的结构行为。

试验与理论研究表明,成桥后结构的受力行为基本是线弹性的,可以用线弹性理论进行分析;薄壁、宽箱梁存在明显的剪力滞效应,箱梁截面的应力分布和变形受剪力滞影响较大,主缆和吊索内力受箱梁剪力滞的影响较小。

关键词:自锚式悬索桥;空间缆索;全桥模型试验;静力特性;剪力滞中图分类号:U448.25 文献标识码:A文章编号:1000 131X(2011)01 0074 07M odel test study of the static property of the Ji angdongBri dge i n H angzhouShen Ruili Q i Dongchun Tang M aolin(Southw est Jiaotong Un i v ersity,Chengdu610031,Ch i n a)Abst ract:The Ji a ngdong Bridge i n H angzhou is a spatial cable self anchored suspension bri d ge,w i d th47m,si n g le co l u m n py lon,separate steel box and si n g le span suspension.A tota l bri d ge m odel i s designed w ith a geo m etric sca le of 1 16and a force scale o f1 4,and the str uctural static property in serv ice stage is stud ied usi n g m ode l tes.t I nfluence li n es of inter nal force and d isplace m en,t and the correspond i n g l o ad i n g i n terval for m ax i m um mo m ent are deter m ined. S truct u ra l behavior in d ifferent situati o ns is thoroughly stud ied.Test and theoretical ana l y sis sho w t h at str uctural m echanical property is linear for the co m p leted br i d ge.There ex ists shear lag effect in the th i n w all w i d e box g ir der, w hich obv iously i m pacts the stress and defor m ati o n o f the box g irder,bu t the infl u ence on i n terna l forces o f the m ain cables and hangers is qu ite s m al.lK eywords:se lf anchored suspensi o n bridge;spatial cable;total bridge m ode l tes;t structura l static property;shear lag E m ai:l qi d ongchun@163.co m引 言杭州市江东大桥主通航孔桥为独柱桥塔、空间缆索、单跨悬吊的自锚式悬索桥结构,跨径布置为:(83 +260+83)m,主梁采用分离式双箱,横向通过连接箱加以连接,主梁宽度达47m。

两根主缆在塔顶横向间距为3m,在中跨跨中横向间距44m,横向矢跨比22/260,为世界上最大横向矢跨比的悬索桥。

与其结构相似的桥型为韩国的永宗大桥,但永宗大桥为公铁两用的钢桁架加劲梁悬索桥,桁高大,加劲梁刚度大,桥宽相对较窄,桥塔为双塔柱[1]。

对于江东大桥这种独柱桥塔、空间主缆、宽跨比较大的分体钢箱梁自锚式悬索桥结构,国内外都是第一次采用,有必要通过全桥模型试验来研究成桥后结构的静动力力学特性,验证设计理论的正确性。

本文重点介绍了静力学特性试验研究的成果。

1 试验模型的设计在综合考虑结构参数、模型材料、制作工艺以及试验室条件等的基础上,确定模型的几何缩尺比为1 16,力的缩尺比为1 4,模型全长26.63m,加劲梁全第44卷 第1期沈锐利等 杭州江东大桥静力特性全桥模型试验研究 75宽为2.94m,桥塔高达5.13m 。

试验模型由2根主缆、26对吊索、加劲梁、横向连接箱、梁端锚固梁、桥塔及索鞍组成,按相似比要求进行配重和梁端压重。

图1为江东大桥试验模型的整体照片。

图1 江东大桥试验模型整体照片F i g .1 Photo of test m ode l1.1 模型加劲梁的设计模型钢加劲梁采用薄钢板,通过焊接和铆钉连接,为了真实地模拟实桥钢箱的力学特性,箱梁内的纵、横隔板,桁架式腹板及加劲肋均按照相似比进行模拟,左幅桥加劲梁的标准截面如图2所示,右幅桥的截面与图2相同,中间通过横向连接箱与左幅桥相连。

加劲梁的竖向受力特性是试验的重点,因此试验模型严格满足竖向抗弯刚度的相似。

其次,尽量满足宽度相似,这样有利于研究宽跨比较大、分离式箱形梁的受力特性、加劲梁的有效分布宽度和应力分布,以及加劲梁中间横向连接箱的受力特性。

图2 模型加劲梁标准截面(单位:mm )Fig .2 S tandard section of th e stiffen i ng gird er (un it :mm )1.2 模型桥塔的设计实桥桥塔为钢筋混凝土结构,试验模型采用钢塔,按照桥塔的纵向、横向抗推刚度和轴向抗压刚度相似为原则设计桥塔。

按几何缩尺模型下塔柱将高达2m,不便于进行试验操作,模型设计中按照塔顶等抗推刚度原则将两塔下塔柱高度分别降低0.97m 。

桥塔横梁设计时满足竖向抗弯刚度的相似,每个桥塔横梁上设置四个竖向支座。

1.3 模型主缆和吊索的设计对于主缆和吊索,最重要的是满足轴向刚度相似。

模型的主缆共两根,每根由37根直径1.6mm 的高强度弹簧钢丝组成,通过预张拉消除可能存在的非弹性变形后,将钢丝平行排列,按所需长度下料,在工厂制作好带锚头的模型主缆。

模型的吊索由2根直径1.6mm 的高强度弹簧钢丝组成,设计保证和原型吊索的面积相似。

吊索上端索夹采用钢丝绳夹具,下端通过螺纹锚杆与加劲梁伸臂处的锚板用螺母连接在一起。

1.4 模型的恒载补偿悬索桥的成桥线形、内力状态与结构的自重相关,按照相似关系模型的质量达不到模型的理论质量,因此需要进行配重。

主缆的配重采用在主缆上穿挂圆柱块的方式来模拟单位长度重量与质量相似。

对于加劲梁,同时设计了一期恒载和二期恒载以及横向连接箱的配重,配重采用小块长方体混凝土块形式,不同的梁段配重块尺寸不同。

1.5 模型的测试系统模型试验的测试分为力、应变和位移的测试。

吊索力、主缆锚固力以及支反力的测试均采用应变式测力传感器,根据力的大小选择不同量程的传感器。

在每根吊索中间串联一个索力传感器,直接进行吊索力的测试;采用穿心式测力传感器穿挂于主缆的两端测试主缆锚固力。

加劲梁和桥塔上的应力采用电阻应变片和光纤光栅传感器两套系统进行测试,在加劲梁上共选择10个断面布置电阻应变片,共计406个电阻应变测试点。

另外,在加劲梁上还选择17个断面布置光纤光栅传感器,共计204个光纤光栅传感器。

加劲梁的竖向位移采用百分表测试,选择7个断面,每个断面布置4个百分表。

在中跨跨中布置千分表以监测加劲梁的横向位移。

1.6 模型与原型的相似关系对于静力试验,模型与原型应满足几何条件、边界条件以及物理参数的相似[2 3]。

几何条件相似:由于材料的限制,很难完全满足相似定律,根据结构的力学特性,设计时满足主要参数的相似,表1列出了试验模型主要设计参数最终采用值与理论值的差异;边界条件相似:模型中的支座位置和支撑方式与实桥基本一致,实桥中设置了横向限位支座,考虑到静力试验主要是竖向加载,侧向位移很小,故试验模型中没76 土 木 工 程 学 报2011年有设置横向限位支座;物理参数相似:模型试验中根据实测的影响线确定最不利弯矩的加载区间,荷载的大小满足相似比要求,但加载位置因加载空间的限制,横桥向难以布置八个车道,故将八车道荷载集中到一个车道上施加,这与实桥不一致,但计算模型中的加载与试验模型中的加载完全一致。

试验模型与原型基本满足相似关系,差异主要在模拟车道荷载时荷载横桥向的布置与实桥不同,使得实测应力不能准确转换为实桥应力,但计算模型的荷载布置与试验模型完全一致,试验结果与计算结果对比得出的规律是准确的。

表1 试验模型的主要设计参数Tab le 1 M ai n d esign para m eters of the test model构件主要设计参数理论值采用值差值(%)构件主要设计参数理论值采用值差值(%)主缆截面面积(mm 2)7.56E -017.44E -01-1.21横向连接箱竖向抗弯惯矩(mm 4)1.38E+06 1.40E+061.36吊索截面面积(mm 2)4.20E -024.02E -02-0.18桥塔纵向抗推刚度(kN /m ) 3.68E+02 3.79E+020.03加劲梁标准段竖向抗弯惯矩(mm 4)8.36E +068.30E +06-0.70桥塔横向抗推刚度(kN /m ) 2.10E+02 2.21E+020.052 模型内力分配特性试验研究结构在外荷载作用下的结构变形、内力分布、支反力等状态反映了结构承受外部作用的能力,是结构静力性能的表现[4]。

在完成体系转换后的全桥模型结构上,施加重物模拟荷载,进行结构静力性能研究,试验内容包括:结构影响线试验和典型截面最不利弯矩加载试验。