張武毅，湯建林

（浙江交科工程檢測(cè)有限公司，杭州 311215）

0 引 言

過(guò)去數(shù)十年，國(guó)內(nèi)外研究者結(jié)合靜載試驗(yàn)和理論分析，對(duì)大跨徑鋼箱梁斜拉橋的力學(xué)性能和工作狀態(tài)等方面開(kāi)展了大量研究工作。隨著跨徑增大，斜拉橋力學(xué)行為變得愈加復(fù)雜，如何準(zhǔn)確地了解其在服役荷載作用下的力學(xué)性能與工作狀態(tài)，用以評(píng)價(jià)斜拉橋整體安全性并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是國(guó)內(nèi)外超大跨橋梁工程研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一[1－2]。趙大亮等人依據(jù)潤(rùn)揚(yáng)大橋試驗(yàn)及理論分析結(jié)果，總結(jié)了扁平鋼箱梁的受力特點(diǎn)，概括出超大跨徑橋梁空間及局部受力精確分析的方法[3]。筆者通過(guò)象山港大橋斜拉橋靜載試驗(yàn)和理論分析，重點(diǎn)探討大橋的剛度、強(qiáng)度和整體性能，如結(jié)構(gòu)總體變形狀況、活載靜力效應(yīng)、鋼箱梁應(yīng)力分布規(guī)律、斜拉索恒載索力、鋼箱梁U肋的應(yīng)力狀況等。

1 工程概況

象山港大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面五跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置為 （82＋262＋688＋262＋82）m，半漂浮體系。主梁為扁平流線形封閉鋼箱梁，梁寬34m，梁高3.5m （橋梁中心線處輪廓），其頂板為橋面板，采用正交異性板結(jié)構(gòu)；頂、底板設(shè)置6～8cm厚U型加勁肋。索塔采用鉆石形混凝土索塔，下、中塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、上塔柱、上中塔柱結(jié)合段、橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，錨固型式為鋼錨箱，塔高225.5m。斜拉索采用1 670MPa高強(qiáng)度平行鋼絲束，梁上標(biāo)準(zhǔn)索距15 m，全橋共4×22×2＝176根斜拉索，最長(zhǎng)376 m。橋梁總體布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 象山港大橋主橋總體布置圖

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

為了與靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，并對(duì)橋梁靜力性能進(jìn)行評(píng)估，采用橋梁空間分析程序 Midas／Civil對(duì)該橋主橋建立有限元空間模型，如圖2所示。扁平鋼箱梁頂板、底板、實(shí)腹式縱隔板、腹板以及橫隔板采用殼單元，斜拉索采用空間桿單元，主塔和桁架式縱隔板采用空間梁?jiǎn)卧Ｖ髁旱捻敯搴偷装寮捌淇v向加勁肋等效為正交異性板，并與橫隔板、腹板、風(fēng)嘴以及縱隔板等組成空間箱形結(jié)構(gòu)分析模型，此模型能較為準(zhǔn)確地模擬主梁的截面特性和質(zhì)量分布特性[3]。

圖2 主橋空間分析計(jì)算模型圖

3 靜載試驗(yàn)概況

本次靜載試驗(yàn)選取了8個(gè)測(cè)試斷面，采用44輛單車重30t的三軸加載車，共分16個(gè)工況進(jìn)行了加載試驗(yàn)，測(cè)試斷面位置見(jiàn)圖3。

3.1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

鋼箱梁的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在S1～S5斷面的鋼箱的底板、腹板、頂板和U型肋上，測(cè)量縱向應(yīng)力；索塔的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在S6斷面的塔柱順橋向的兩側(cè)面上，測(cè)量豎向應(yīng)力；應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 鋼箱梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 撓度測(cè)點(diǎn)布置

鋼箱梁撓度及縱向位移測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖4，全橋共計(jì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)；塔頂位移測(cè)點(diǎn)布置于73＃和74＃墩索塔的塔頂中心線位置，全橋共計(jì)2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 鋼箱梁撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)總體變形

中跨 （688m）跨中截面在中載的作用下，鋼箱梁上、下游最大撓度分別為0.801m和0.796 m，表明大橋整體剛度及對(duì)稱性良好；在偏載作用下，鋼箱梁上、下游最大撓度分別為0.678m和0.534m，表明鋼箱梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。鋼箱梁豎向撓度實(shí)測(cè)值與理論值較接近，中、偏載的比值在0.95～0.99之間，表明結(jié)構(gòu)有限元分析模型合理，能準(zhǔn)確把握斜拉橋結(jié)構(gòu)整體變形。圖5為S5截面在中載作用下鋼箱梁豎向撓度實(shí)測(cè)值與理論值比對(duì)結(jié)果。

梁端上下游順橋向變形較協(xié)調(diào)，兩端較對(duì)稱，寧波側(cè)和象山側(cè)順橋向最大位移分別為0.075m和0.081m；兩側(cè)主塔塔頂位移較對(duì)稱，寧波側(cè)和象山側(cè)塔頂最大位移分別為0.202m和0.208m。

由圖6可知，中跨、次邊跨、邊跨鋼箱梁豎向位移和塔頂水平位移增量與試驗(yàn)荷載增量呈線性規(guī)律變化，表明在試驗(yàn)荷載作用下，大橋處于線彈性工作狀態(tài)。

圖5 典型加載工況下鋼箱梁豎向撓度實(shí)測(cè)值與理論值比對(duì)結(jié)果 （S5截面）

圖6 象山港大橋結(jié)構(gòu)位移增量與試驗(yàn)荷載增量相關(guān)關(guān)系圖

4.2 鋼箱梁橫截面應(yīng)力分布規(guī)律

（1）頂、底板應(yīng)力橫向分布規(guī)律

在試驗(yàn)荷載作用下，S3、S4和S5截面鋼箱梁頂、底板應(yīng)力沿梁寬方向的橫向分布如圖7（a～f）所示。分析頂、底板應(yīng)力的橫向變化規(guī)律可知，頂、底板應(yīng)力沿橫截面呈不均勻分布，頂板最大應(yīng)力基本位于加載車輛車輪直接作用部位，這是因?yàn)轫敯宓淖饔孟喈?dāng)于單向板，荷載主要沿橋面縱向傳遞，而且應(yīng)力尖角僅限于U肋之間并很快由輪廓向兩側(cè)衰減，因此造成了頂板在車輪部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）頂板U肋應(yīng)力橫向分布規(guī)律

在試驗(yàn)荷載作用下，S2和S5截面鋼箱梁頂板U肋應(yīng)力沿梁寬方向的橫向分布如圖8（a～b）所示。分析頂板U肋應(yīng)力的橫向變化規(guī)律可知，U肋在車輪作用下反應(yīng)明顯的局部應(yīng)力效應(yīng)——在車輪作用位置的U肋應(yīng)力明顯大于相鄰無(wú)直接荷載作用的U肋。

圖7 鋼箱梁頂、底板應(yīng)力橫向分布圖

圖8 鋼箱梁頂板U肋應(yīng)力橫向分布圖

5 恒載斜拉索索力分析

恒載作用下斜拉索索力的實(shí)際狀況與設(shè)計(jì)值的符合程度是衡量結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求、體現(xiàn)施工水平的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于斜拉索的柔性吊桿，采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法對(duì)索力進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖可知，全橋斜拉索的索力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)的占55.9%，在±5%～±10%之間的占41.7%，大于±10%～±15%之間的占2.5%，由此說(shuō)明該橋?qū)嶋H吊桿力與設(shè)計(jì)吊桿力吻合良好。

圖9 象山港大橋斜拉索實(shí)測(cè)索力圖

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）建立空間箱形結(jié)構(gòu)分析模型能較為準(zhǔn)確地模擬主梁的截面特性和質(zhì)量分布特性，是較為準(zhǔn)確分析此類大跨徑鋼箱梁斜拉橋內(nèi)力和變形的有效方法。

（2）在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載的試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)變形增量與試驗(yàn)荷載增量呈線性規(guī)律變化，表明大橋處于線彈性工作狀態(tài)。

（3）從鋼箱梁應(yīng)力的橫向分布規(guī)律可知，試驗(yàn)車輛荷載對(duì)頂板U肋的影響最大，對(duì)頂板的影響次之，底板影響最小。

（4）受剪力滯效應(yīng)、橫坡及車輪局部效應(yīng)等影響，鋼箱梁頂板、U肋和部分工況下的底板橫向應(yīng)力分布不均勻，并出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

本文研究成果有助于對(duì)大跨徑鋼箱梁斜拉橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、荷載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的合理布置，為橋梁健康檢測(cè)和運(yùn)營(yíng)管理提供參考，但仍需進(jìn)一步研究采用子模型法對(duì)此類橋梁主梁各關(guān)鍵截面進(jìn)行局部應(yīng)力精細(xì)分析。

[1]Sennah，Khaled M，Kennedy，et al.Literature review in analysis of box－girder bridges [J].Journal of Bridge Engineering，2002，7 （2）：134－143.

[2]Fan Z F，Helwig，Todd A.Behavior of steel－box girders with top flange bracing [J].Journal of Structural Engineering，1999，125 （8）：829.

[3]趙大亮，李愛(ài)群，丁幼亮，等.基于子模型法的大跨斜拉橋扁平鋼箱梁應(yīng)力分析[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25（3）：326－332.