馬鞍山長江大橋右汊斜拉橋主橋拱形塔1∶10整體模型試驗
2017-09-18
本課題結(jié)合馬鞍山長江公路大橋右汊斜拉橋的特點，綜合考慮在拱塔結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和施工監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)難題，在國內(nèi)外首次開展拱塔結(jié)構(gòu)整體模型試驗研究。研究成果為馬鞍山長江公路大橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與安全施工提供重要的科學依據(jù)和技術(shù)保障。
1 工程概況
1.1 項目概況
馬鞍山長江大橋右汊斜拉橋為三塔半橢圓形拱塔斜拉橋，為橋梁造型賦予了創(chuàng)新理念，結(jié)構(gòu)新穎、簡潔美觀、清新明快。工程范圍內(nèi)K14+120～K14+880段為右汊主橋斜拉橋，主橋跨徑布置為（38+82+2×260+82+38）m，全長760m，為三塔六跨的雙索面半漂浮體系斜拉橋。
2 拱塔模型的設(shè)計
根據(jù)模型試驗研究目的，綜合考慮試驗內(nèi)容、模型材料、制作精度和試驗場地基礎(chǔ)等條件，擬采用與實際結(jié)構(gòu)相同的材料（混凝土和鋼材）進行模型制作。根據(jù)實驗理論及實際橋梁的對稱性，試驗?zāi)Ｐ鸵罁?jù)下列原則進行設(shè)計：模型和實橋要幾何相似、邊界條件相似、應(yīng)變相似、對應(yīng)截面剛度相似等。模型按1∶10的幾何縮尺進行設(shè)計、且根據(jù)結(jié)構(gòu)與受力的對稱原理設(shè)計。拱塔整體模型設(shè)計包括拱塔結(jié)構(gòu)模型設(shè)計和拱塔加載系統(tǒng)設(shè)計。拱塔結(jié)構(gòu)模型設(shè)計包括模型幾何物理特性計算、模型施工圖設(shè)計等；拱塔加載系統(tǒng)設(shè)計包括加載位置、加載設(shè)備、加載結(jié)構(gòu)、加載方式的設(shè)計。
3 模型制作重難點施工、測試系統(tǒng)、加載方法
3.1 模型的制作重難點控制
本次橋梁實體模型制作重難點施工：拱塔模型模板精度加工及線型控制、拱塔斜拉索準確定位控制、拱塔混凝土施工控制、拱塔預(yù)應(yīng)力施工控制、拱塔整體受力系統(tǒng)測試監(jiān)控，如圖1，圖2所示。
3.2 模型的測試系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三個部分組成：傳感器部分、數(shù)據(jù)采集儀部分和計算機（控制與分析器）部分。傳感器部分包括前面所提到的各種電測傳感器；數(shù)據(jù)采集儀部分包括：與各種傳感器相對應(yīng)的接線模塊和多路開關(guān)，主機，儲存器，其它輔助部件；計算機部分包括：主機、顯示器、存儲器、打印機、繪圖儀和鍵盤等，HY-65B3000B靜態(tài)應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)采集。
3.3 測試儀器及加載設(shè)備
試驗測試儀器和加載設(shè)備主要包括：（1）測試儀器。無線數(shù)碼靜態(tài)應(yīng)變傳感器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集軟件、壓力傳感器、綜合測試儀、索力測試儀、電阻應(yīng)變片、日本T303數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、瑞士徠卡全站儀TC2002、瑞士威特精密水準儀N3、瑞士徠卡反射小棱鏡GMP111、瑞士徠卡反射片、鋼水準尺、位移計、裂縫觀測儀、數(shù)字溫度儀、數(shù)碼照相機、筆記本電腦等。（2）加載設(shè)備。千斤頂、扭矩扳手等。
4 模型試驗的工況與內(nèi)容
4.1 試驗工況
主要加載系統(tǒng)：恒載補償、橫梁支座反力、塔柱橫向預(yù)應(yīng)力、橫梁預(yù)應(yīng)力、斜拉索索力。
馬鞍山長江大橋右汊斜拉橋拱塔結(jié)構(gòu)模型試驗為期30天，共進行了9個試驗工況，分別采集了各工況下的斜拉索索力、混凝土表面應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變、索塔變形及裂縫觀測等重要數(shù)據(jù)。集中分析了試驗工況5（施工階段最大懸臂階段）、工況6（施工階段二次調(diào)索階段）、工況7（正常使用極限狀態(tài)）、工況8（承載能力極限狀態(tài)）及工況9（1.2倍承載能力極限狀態(tài)）的測試結(jié)果，包括斜拉索索力測試值、混凝土表面應(yīng)變測試值、鋼筋應(yīng)變測試值、索塔變形及裂縫觀測結(jié)果。
4.2 實驗內(nèi)容
在模型試驗中，主要是對拱塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進行應(yīng)力測試和變形觀測。試驗測試內(nèi)容主要有以下幾點。
?。?）索塔關(guān)鍵截面的縱向受力鋼筋應(yīng)變測量，在施工的過程中埋設(shè)鋼筋應(yīng)變片。（2）索塔關(guān)鍵截面的混凝土應(yīng)變，在混凝土表面粘貼無線應(yīng)變計。（3）索塔關(guān)鍵部位的變形，在其表面布設(shè)全站儀棱鏡觀測點和千分表以便測量。（4）索力測試，張拉前對千斤頂進行標定，張拉過程中借助千斤頂?shù)挠蛪罕韥砜刂?，同時利用穿心式壓力傳感器和索力測試儀進行索力測試和校核。（5）裂縫觀測在混凝土的外表面，用裂縫觀測儀和放大鏡觀測每級荷載下有無裂縫展開，以及各工況下的裂縫分布和寬度，并繪出裂縫分布圖。
5 模型試驗結(jié)果分析與結(jié)論
本模型進行了各種工況下的斜拉橋全橋整體受力性能的試驗，明確了新型體系預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋的整體受力性能，對該類型拱塔橋梁的設(shè)計和施工提供了具體的實驗數(shù)據(jù)，也對該類型部分斜拉橋進行深入理論分析研究具有重要的意義。在試驗過程中得出以下結(jié)論。
（1）部分斜拉橋?qū)嶓w模型的設(shè)計和施工是一道重要的工序，嚴格按照比例要求制作，可以保證結(jié)構(gòu)受力和實際橋梁具有可比性。（2）部分斜拉橋拱塔模型試驗應(yīng)注意材料的選用和加載控制。（3）部分斜拉橋拱塔模型試驗加載系統(tǒng)的安裝、定位、載重、加載點、觀測點、需要在試驗前明確。（4）部分斜拉橋拱塔模型試驗的測點和測試工況應(yīng)根據(jù)橋梁受力的具體情況確定。（5）塔體混凝土和鋼筋整體應(yīng)變不大，距離塔頂端1/3范圍內(nèi)混凝土出現(xiàn)少量豎向微應(yīng)變，塔根部混凝土出現(xiàn)少量橫向微應(yīng)變，此兩處為塔體混凝土薄弱區(qū)段，易誘發(fā)塔體局部混凝土開裂，建議在施工過程中注意該區(qū)段混凝土的振搗密實和保護層厚度。（6）塔體順橋向和橫橋向精軋螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力約為對應(yīng)區(qū)域斜拉索索力的四倍或者更高，該預(yù)應(yīng)力的安全儲備過大，在保證塔體不被拉裂的同時也將帶來一定的負面效應(yīng)，比如精軋螺紋鋼錨固出口處的混凝土易被壓碎等。建議在可能的情況下，合理降低精軋螺紋鋼的預(yù)應(yīng)力。
參考文獻
[1] 馬鞍山長江公路大橋工程可行性研究報告[R].
[2] 馬鞍山長江公路大橋跨江主體工程施工設(shè)計圖紙，第三冊，右汊主橋.
