上海長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)模型試驗(yàn)與分析研究

摘要PAGEIII摘要斜拉橋索塔錨固區(qū)是將斜拉橋上部結(jié)構(gòu)自重和所承受的所有外荷載傳遞到索塔的重要結(jié)構(gòu)。鋼錨箱方案，錨固區(qū)荷載大、空間小、構(gòu)造復(fù)雜、傳力路徑多、應(yīng)力分布不均勻、破壞機(jī)理復(fù)雜。本文以正在設(shè)計(jì)研究中的長(zhǎng)江大橋?yàn)楸尘?，針?duì)鋼錨箱結(jié)構(gòu)索塔錨固區(qū)的受力特性和極限承載能力問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)與分析研究。試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒厝∷魉湫偷氖芰ψ畲蟮墓?jié)段，制作1：2.5比例的縮尺模型。模型試驗(yàn)表明，在1.0倍設(shè)計(jì)索力P作用下，主跨橫橋向塔壁凹槽折角處最大裂縫寬度0.15mm，邊跨橫橋向塔壁凹槽折角處最大裂縫寬度0.12mm，鋼錨箱上所布置測(cè)點(diǎn)均沒(méi)有超過(guò)鋼材屈服強(qiáng)度。加載到1.7P時(shí)（對(duì)應(yīng)與鋼錨箱是1.48P），主跨凹槽折角處實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.30mm，邊跨凹槽折角處實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.24mm，鋼錨箱上除側(cè)板外，鋼錨箱上其余測(cè)點(diǎn)均處于彈性工作狀態(tài)。應(yīng)用有限元方法從整體結(jié)構(gòu)上分析了斜拉索索力的傳遞規(guī)律，定量計(jì)算了斜拉索水平分力、豎向分力在鋼錨箱各板件和混凝土塔壁之間的分配關(guān)系。同時(shí)將實(shí)際索塔節(jié)段簡(jiǎn)化為平面框架模型，從理論上推導(dǎo)了各構(gòu)件拉力分配公式，研究了各參數(shù)變化對(duì)拉力分配和塔壁控制點(diǎn)應(yīng)力的影響。對(duì)長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)建立空間有限元模型，研究剪力釘內(nèi)力在豎向和橫橋向的分布規(guī)律，比較了改變剪力釘橫向間距對(duì)剪力釘受力的影響，討論了剪力釘抗剪剛度對(duì)剪力釘受力的影響，另外采用實(shí)測(cè)剪力釘荷載位移曲線，研究剪力釘非線性剛度對(duì)剪力釘受力的影響。在索塔錨固區(qū)有限元模型中，引入接觸單元，考慮鋼混結(jié)合面的接觸效應(yīng)，研究摩擦力對(duì)塔壁和剪力釘?shù)氖芰τ绊憽７治霰砻?，鋼混結(jié)合面考慮接觸對(duì)剪力釘受力影響較大，對(duì)塔壁受力的影響可以忽略。考慮接觸后，剪力釘內(nèi)力分布規(guī)律和不考慮接觸的結(jié)果基本一致，剪力釘最大剪力減小了15％左右。在最后部分，針對(duì)線彈性有限元分析得到橫橋向混凝土塔壁名義拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于混凝土抗拉強(qiáng)度，塔壁開裂嚴(yán)重的情況，考慮了混凝土開裂引起的材料非線性，采用ANSYS分析了混凝土開裂對(duì)索塔受力的影響。分析表明，采用規(guī)范建議的混凝土彈性模量0.67的折減系數(shù)來(lái)考慮混凝土開裂的影響是偏于保守的。關(guān)鍵詞：斜拉橋、索塔錨固區(qū)、鋼錨箱、有限元AbstractABSTRACTTheanchoragezonesofpylonincable-stayedbridgearesubjectedtolargeconcentratedtendonforcesandhavecomplicatedstructuraldetails.Itisveryimportanttoknowthestressdistributionofanchoragezonesundercableforces.Thispapermainlyfocusesonloadtransferringmechanismandtheultimatestrengthofthecable-pylonanchoragezoneunderstayedcableforces,basedonShanghaiChangjiangBridgeunderdesign.Thespecimensimulatesthe22thsegmentofthecable-pylonanchoragezoneofShanghaiChangjiangBridge,withascaleof1:2.5.Accordingtoexperimentresults,underthedesignedcableforces,thecrackwidthoftheconcretepylonatthemain-spansidereaches0.15mm,whilethecrackwidthattheoppositesidereaches0.12mm.Thewholesteelanchorboxworksinelasticbehavior.Underthemaximumtestsloads,whichequals1.7timesthedesignedcableforces,thecrackwidthoftheconcretepylonatthemain-spansidereaches0.30mm,whilethecrackwidthontheoppositesidereaches0.24mm.Exceptforsomestressconcentratedregionsofthebalanceplate,thesteelanchorboxworksinelasticbehavior.Finiteelementanalysisisusedtostudythespecialbehaviorofloadtransferringmechanismofsteel-concretecompositepylonunderthestayedcableforces.Thedistributionrateofhorizontalcomponentforcebetweensteelanchorboxandconcretepylonisobtained.Theformulaisderivedtocalculatethedistributionrateofhorizontalcomponentforcebetweensteelanchorboxandconcretepylonbysimplifyingthepylonsegmentasplanarframes.Andtheoreticalresultsarecomparedtothosefromfiniteelementmethod.Thewholecable-pylonanchoragezoneismodeledusingFEMtostudytheshearforcedistributionofstudconnectors.Theinfluenceoflateralspacingandstiffnessofstudsareinvestigatedalsointhischapter.Inordertoconsidertheinfluenceoffrictiononthesteel-concreteinteractionsurface,contactelementsareemployedintheFEMmodel.Analysisresultsshowthatthestressesintheconcretepylonchangeslightly.Theforcedistributionofstudconnectorsremainsalmostthesameeveniftakingintoaccountofcontacteffect,butthemaximumshearforcesofthestudsdecreaseby15%.Atlast,thethesisinvestigatedtheinfluenceofconcretecrackonanchoragezoneconsideringthematerialnonlinearityinducedbyconcretecrack.Analysisresultsshowthatthestiffnessreductioncoefficientof0.67proposedbythebridgedesigncodeisconservative.KeyWords:cable-stayedbridge,compositestructure,steelstructure,anchoragezone,steelanchorbox,FEM目錄PAGE目錄TOC\o"2-4"\h\z\u第1章引言 11.1大跨度斜拉橋混凝土索塔錨固區(qū)的錨固構(gòu)造形式 11.1.1預(yù)應(yīng)力混凝土錨固結(jié)構(gòu) 21.1.2鋼錨固梁錨固結(jié)構(gòu) 31.1.3鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu) 41.2斜拉橋混凝土索塔錨固區(qū)鋼錨箱的受力特性 51.3斜拉橋混凝土索塔錨固區(qū)鋼錨箱的研究現(xiàn)狀 71.4工程背景 91.5本文的研究目的和主要內(nèi)容 13第2章索塔錨固區(qū)節(jié)段靜力試驗(yàn) 152.1模型試驗(yàn)理論 152.2索塔錨固區(qū)節(jié)段靜力試驗(yàn)設(shè)計(jì) 182.2.1試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容 182.2.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì) 192.2.3試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際結(jié)構(gòu)受力比較 222.2.3構(gòu)件的加工制造和材料特性 292.2.4加載方案 302.2.5測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試內(nèi)容 312.2.6儀器設(shè)備 362.3試驗(yàn)結(jié)果 362.3.1混凝土塔壁試驗(yàn)結(jié)果 362.3.2裂縫觀測(cè)結(jié)果及分析 422.3.3鋼筋應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果 432.3.4斜拉索水平力分配關(guān)系 452.3.5鋼錨箱試驗(yàn)結(jié)果 462.3.6剪力釘測(cè)試結(jié)果 542.4本章小結(jié) 57第3章索力在索塔錨固區(qū)的傳力機(jī)理分析 583.1索力在索塔錨固區(qū)的分配關(guān)系分析 583.1.1斜拉索水平分力的分配關(guān)系 603.1.2斜拉索豎向分力的分配關(guān)系 613.2斜拉索水平分力分配的簡(jiǎn)化分析 633.2.1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析方法 633.2.2簡(jiǎn)化方法與有限元結(jié)果對(duì)比 663.2.3參數(shù)變化對(duì)拉力分配和控制點(diǎn)應(yīng)力的影響 673.3本章小結(jié) 69第4章索塔錨固區(qū)剪力釘受力分析 704.1有限元模型 704.2計(jì)算結(jié)果 704.3剪力釘橫向間距調(diào)整對(duì)剪力釘受力的影響 774.4剪力釘剛度取值對(duì)剪力釘受力的影響 804.5剪力釘非線性剛度對(duì)剪力釘受力的影響 844.6本章小結(jié) 87第5章索塔錨固區(qū)鋼混結(jié)合面的接觸分析 895.1有限元模型 895.2計(jì)算結(jié)果 895.3有限元接觸理論 935.3.1接觸問(wèn)題分類 945.3.2接觸算法 945.3.3接觸剛度 955.3.4接觸摩擦 965.4接觸面正應(yīng)力對(duì)索塔整體受力影響 975.5本章小結(jié) 99第6章索塔錨固區(qū)混凝土塔壁開裂分析 1016.1ANSYS有限元的混凝土模型 1016.1.1Solid65的破壞面 1026.1.2Solid65的本構(gòu)關(guān)系 1056.1.3混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 1066.1.4壓碎與開裂行為 1076.2有限元模型 1096.3混凝土開裂對(duì)塔壁受力的影響 1106.4混凝土開裂對(duì)斜拉索水平力分配的影響 1146.5混凝土開裂對(duì)剪力釘受力的影響 1146.6本章小結(jié) 116第7章結(jié)論與展望 1187.1主要結(jié)論 1187.2展望 119第一章引言PAGE45第1章引言1.1大跨度斜拉橋混凝土索塔錨固區(qū)的錨固構(gòu)造形式斜拉橋是由塔、梁、拉索三種基本構(gòu)件組成的纜索承重組合結(jié)構(gòu)，它是一種橋面系以加勁梁受壓（密索體系）或受彎（稀索體系），支承體系以斜拉索受拉、橋塔受壓為主的橋梁結(jié)構(gòu)體系。斜拉橋的最大優(yōu)點(diǎn)在于其造型多樣而富于美學(xué)內(nèi)涵：平行索面、斜索面和單索面配以各種不同形式的橋塔，形成剛性橋塔和柔性主梁相結(jié)合的雙索面體系，代表一種雄偉飄逸的美學(xué)風(fēng)格，如美國(guó)的P-K橋；或者采用剛性主梁和柔性橋塔相結(jié)合的單索面塔梁固結(jié)體系，代表一種穩(wěn)重挺拔的美學(xué)風(fēng)格，如法國(guó)的布魯東橋。斜拉橋作為一種拉索結(jié)構(gòu)，比梁式橋具有更大的跨越能力，其具有的自錨特性，不需要造價(jià)昂貴的錨錠裝置，更適合于河口、海岸軟土地基的要求，而且斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大，穩(wěn)定和動(dòng)力性能優(yōu)越，在大跨度橋梁中斜拉橋更具競(jìng)爭(zhēng)力和可行性。斜拉橋正以其跨越能力大，結(jié)構(gòu)新穎美觀而成為現(xiàn)代橋梁工程中發(fā)展最快、最具競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一。自1991年挪威建成的斯卡圣德脫橋（Skarnsundet）和日本建成的鶴見航路橋（TsurumiFairway）主跨突破500m后，近年來(lái)世界各地已建主跨在500m以上的斜拉橋有十余座，1994年建成的法國(guó)諾曼第橋（Normandie）主跨達(dá)到了856m。1998年建成的日本多多羅橋（Tatara）主跨達(dá)到890m，是目前世界上已建成斜拉橋中主跨最大的橋，建設(shè)中的蘇通長(zhǎng)江公路大橋主跨為1088m，使得斜拉橋的跨徑超過(guò)了1000m。斜拉橋跨度的增加導(dǎo)致了索塔高度增加的同時(shí)，對(duì)索塔的建材也提出更高的要求。斜拉橋主跨較小時(shí)索塔常常采用混凝土材料，通過(guò)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋或采取其它一些構(gòu)造措施可以滿足索塔錨固區(qū)受力要求和施工要求。斜拉橋主跨很大時(shí)，由于跨徑增大使得索塔上部位置的斜拉索承受較大的拉力，如果整個(gè)索塔采用混凝土材料，由于混凝土的抗拉性能較差，索塔的截面和壁厚要很大并且要配置相當(dāng)數(shù)量的預(yù)應(yīng)力筋才能滿足受力要求，這時(shí)施工難度和工程造價(jià)隨之提高。如果整個(gè)索塔采用鋼材，由于鋼材的受力性能比混凝土好，可以很容易使索塔錨固區(qū)滿足受力要求，但采用鋼材后會(huì)使得工程的造價(jià)有所提高，在目前市場(chǎng)條件下鋼索塔要比混凝土索塔的造價(jià)高一些。如果索塔采用混凝土、錨固區(qū)采用鋼材，用于斜拉橋索塔中時(shí)可以充分利用兩種材料，既滿足索塔的受力要求，又降低了工程的造價(jià)，因此這種混凝土索塔鋼錨箱結(jié)構(gòu)形式是一種較合理的結(jié)構(gòu)形式。索塔與拉索的連接處，由于拉索強(qiáng)大的集中力作用，再加上孔洞的削弱及局部受力，因此該處應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在。拉索在索塔上的錨固區(qū)構(gòu)造應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、錨固構(gòu)造要求、施工工藝要求等確定。索塔上拉索的錨固構(gòu)造是將拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱全截面的重要構(gòu)造。它與拉索的布置、拉索的根數(shù)和形狀、索塔的型式與構(gòu)造、拉索索力的大小、拉索的架設(shè)與張拉等多種因素有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使力線流暢，避免出現(xiàn)大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。索塔錨固區(qū)的設(shè)計(jì)必須滿足以下要求[3]：1、索力的傳遞和平衡應(yīng)該簡(jiǎn)單、可靠，避免塔柱受扭。2、錨固構(gòu)造細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)必須考慮拉索張拉、錨固的簡(jiǎn)易性和經(jīng)濟(jì)性。3、錨固區(qū)構(gòu)造必須具備可接近性，使檢查養(yǎng)護(hù)人員便于檢查；必須考慮為換索提供必要條件。大跨度斜拉橋的索塔一般采用空心變截面塔柱，常見的索塔錨固型式有以下幾種：預(yù)應(yīng)力混凝土錨固結(jié)構(gòu)、鋼錨固梁結(jié)構(gòu)、鋼錨箱結(jié)構(gòu)。1.1.1預(yù)應(yīng)力混凝土錨固結(jié)構(gòu)這種錨固構(gòu)造是在塔柱的橫橋向塔壁上預(yù)埋鋼管，拉索穿過(guò)鋼管錨固在塔壁內(nèi)側(cè)的凸塊上，形成對(duì)稱錨固構(gòu)造，如圖1.1.1所示，塔壁中需布置平面預(yù)應(yīng)力束，用預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生的外力來(lái)平衡拉索在塔壁中產(chǎn)生的內(nèi)力。當(dāng)塔柱橫橋向尺寸與索力均較小，且拉索為單股索時(shí)，只需在塔柱順橋向塔壁上設(shè)置預(yù)應(yīng)力束。當(dāng)塔柱橫向尺寸較大、拉索為橫排的雙股鋼索時(shí)，需在塔柱縱、橫塔壁上均設(shè)置預(yù)應(yīng)力束；當(dāng)塔柱橫向尺寸和索力均較大，且拉索為橫排的雙股鋼索時(shí)，除在塔柱縱、橫塔壁上都設(shè)置預(yù)應(yīng)力束外，還應(yīng)增設(shè)縱向中間隔板，具體布置如圖1.2所示。圖1.1.1預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造1.1.2鋼錨固梁錨固結(jié)構(gòu)這種錨固構(gòu)造是將鋼錨固梁通過(guò)鋼板和四氟滑板支承于空心塔柱橫壁內(nèi)側(cè)的牛腿凸塊上，拉索穿過(guò)預(yù)埋在塔壁中的鋼管錨固在鋼錨固梁兩端的錨塊上，如圖1.1.2所示。圖1.1.2鋼錨固梁結(jié)構(gòu)示意圖鋼錨固梁本身是一個(gè)獨(dú)立和穩(wěn)定構(gòu)件，梁兩端的剛性垂直支承可在順橋向和橫橋向作微小的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，但需在兩端設(shè)縱橋向和橫橋向的限位構(gòu)造裝置。在各種受力情況下，拉索的垂直分力由鋼錨固梁的垂直支承，通過(guò)牛腿凸塊傳給塔柱，當(dāng)塔柱兩側(cè)的拉索索力和拉索傾角相等時(shí)，拉索的水平分力由鋼錨固梁的軸向受拉及量級(jí)較小的兩端彎矩平衡。當(dāng)塔柱兩側(cè)拉索索力不等或索力相等而傾角不等時(shí)，塔柱兩側(cè)的不平衡水平分力將通過(guò)鋼錨梁下的支承摩阻力或順橋向兩端的限位擋塊傳給塔壁牛腿，再傳給塔壁，這樣使塔壁承受的水平力大大減少，相應(yīng)的也減少了塔柱在平面框架內(nèi)的局部荷載及剪力、彎矩。由于鋼錨梁兩端可做微小的自由移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，由溫度影響引起的約束力也將是很小的。用鋼錨固梁實(shí)現(xiàn)拉索在空心塔柱上的對(duì)稱錨固，可使混凝土塔柱在拉索錨固區(qū)段受力明確，內(nèi)力減少，不會(huì)產(chǎn)生水平裂縫。主要缺點(diǎn)是錨區(qū)有很多牛腿結(jié)構(gòu)，施工裝模拆模繁瑣。加拿大主跨465m的安娜雪絲橋和我國(guó)主跨423m的南浦大橋，東海大橋（主跨420m），閔浦大橋（主跨708m）的混凝土索塔錨固構(gòu)造都采用了這種型式。1.1.3鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)工程上常用的兩種混凝土索塔鋼錨箱結(jié)構(gòu)形式如圖1.1.3和圖1.1.4所示，圖1.1.3中的鋼錨箱是放置在索塔混凝土的內(nèi)部，混凝土索塔是完整的箱形結(jié)構(gòu)，稱為內(nèi)置式鋼錨箱，圖1.1.4中的鋼錨箱把混凝土索塔在錨固區(qū)分成兩部分，在索塔的外側(cè)能夠看到鋼錨箱的一部分，稱為外露式鋼錨箱。圖1.1.3內(nèi)置式混凝土索塔鋼錨箱結(jié)構(gòu)形式圖圖1.1.4外露式混凝土索塔鋼錨箱結(jié)構(gòu)形式圖對(duì)于內(nèi)置式鋼錨箱結(jié)構(gòu)，斜拉索的豎向分力由焊接在錨箱兩端豎向鋼板的剪力釘承受，與鋼錨箱相連的混凝土索塔內(nèi)壁直接承受鋼錨箱傳來(lái)的斜拉索部分水平分力。塔壁中可設(shè)置普通鋼筋控制強(qiáng)度及裂縫寬度，或施加預(yù)應(yīng)力限制開裂。采用這種構(gòu)造形式的斜拉橋有連接瑞典和丹麥的海峽大橋?resund橋，丹麥的FarФ-Falste橋，香港昂船洲大橋，杭州灣大橋，蘇通長(zhǎng)江大橋以及滬崇蘇越江通道長(zhǎng)江大橋。對(duì)于外露式鋼錨箱結(jié)構(gòu)，焊接在錨箱側(cè)板上的剪力釘既要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿索塔高度方向的剪力，還要傳遞索塔和鋼錨箱之間沿順橋向的剪力。而且為保證鋼錨箱側(cè)板和混凝土塔壁的抗剪效果及抵抗索塔的拉應(yīng)力，必須在塔壁施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力成為結(jié)構(gòu)成立不可缺少的主要因素，而且預(yù)應(yīng)力度要求比較高。采用這種構(gòu)造形式的斜拉橋有諾曼底大橋[33]，希臘的Rion-Antirion橋。鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)具有傳力可靠，易于檢測(cè)維護(hù)，便于換索等優(yōu)點(diǎn)，正在被越來(lái)越多的大跨度斜拉橋所采用。1.2斜拉橋混凝土索塔錨固區(qū)鋼錨箱的受力特性鋼錨箱錨固方構(gòu)造的索塔錨固區(qū)是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)，但從受力原理上分析，與一般的組合梁有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)在混凝土索塔相對(duì)于鋼錨箱而言剛度較大，仍然受到較大拉力和彎矩，主要由兩方面原因引起：其一是斜拉索直接的外力作用，錨箱與索塔共同變形，雖然鋼錨箱彈性模量較大，但由于截面面積小，鋼錨箱總體剛度不大，因此索塔仍然有較大的內(nèi)力；其二是混凝土的收縮作用，在混凝土收縮時(shí)，鋼錨箱的作用正好相反，阻礙混凝土收縮，也使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定的內(nèi)力。在正常使用荷載作用下，單位高度的混凝土塔壁有兩種受力形態(tài)，在拉索前側(cè)塔壁基本為純彎構(gòu)件，側(cè)面塔壁為偏心受拉構(gòu)件。簡(jiǎn)而言之，斜拉索的水平分力是按照剛度比分配到混凝土塔壁、鋼錨箱側(cè)板和橫隔板上的。但是采用這種構(gòu)造的大跨度斜拉橋，索力都很大（杭州灣大橋最大索力5140kN，蘇通長(zhǎng)江大橋最大索力7450kN，長(zhǎng)江大橋遠(yuǎn)期方案最大索力11260kN）。在這種巨大索力作用下，雖然鋼錨箱承擔(dān)了大部分斜拉索水平分力，在不另外設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋的情況下，混凝土塔壁的開裂也是不可避免，關(guān)鍵在于設(shè)置足夠的普通鋼筋來(lái)限制裂縫寬度。問(wèn)題在于，考慮混凝土開裂的彈性模量到底取多少合適？對(duì)于不同索力大小而取用同一的彈性模量折減系數(shù)，是否合理？鋼錨箱與混凝土索塔之間除了斜拉索水平力外，還有豎向剪力。豎向剪力的傳遞途徑有：1、焊接在鋼錨箱端板或側(cè)板上的剪力釘傳遞大部分剪力；2、錨箱最下端混凝土的豎向支承力；3、鋼錨箱和混凝土結(jié)合面的摩擦力。鋼錨箱與混凝土結(jié)合面不僅傳遞接觸壓應(yīng)力，還傳遞摩擦力。對(duì)于這部分接觸力，桿系有限元無(wú)法考慮，常規(guī)的板殼有限元通常認(rèn)為偏與安全的而不予考慮。但到底影響有多大，不考慮接觸面的壓應(yīng)力和摩擦力是否真的是偏與安全呢？除此之外，索塔為鋼筋混凝土塔，斜拉索錨固區(qū)應(yīng)力集中，混凝土為三向受力狀態(tài)，配筋復(fù)雜，而且配筋量大，結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理復(fù)雜。錨固區(qū)混凝土局部區(qū)域出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，這種局部應(yīng)力對(duì)混凝土裂縫、工作性能和承載能力的影響難以判斷。鋼錨箱體積小、鋼板厚度大、焊接加工難度大，殘余變形和殘余應(yīng)力難以確定。同時(shí)，殘余變形和殘余應(yīng)力對(duì)錨箱工作性能和承載能力影響難以判斷。綜上所述，采用鋼錨箱方案的設(shè)計(jì)構(gòu)思路是：1、鋼錨箱和混凝土作為組合構(gòu)件共同受力。即使不考慮混凝土塔柱的共同作用，鋼錨箱自身也可以承受斜拉索的全部水平分力；斜拉索豎向分力則主要通過(guò)鋼錨箱端部與混凝土塔柱間的剪力鍵傳遞到混凝土塔壁，由混凝土塔柱承受，鋼錨箱底部的支撐構(gòu)造僅分擔(dān)少量的豎向力。2、混凝土索塔即使不采用預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)極限承載力和正常使用極限狀態(tài)均滿足規(guī)范要求。3、為了提高錨固區(qū)整體剛度并保證索塔的耐久性，避免索塔出現(xiàn)開裂，在索塔混凝土中仍可考慮設(shè)置預(yù)應(yīng)力。1.3斜拉橋混凝土索塔錨固區(qū)鋼錨箱的研究現(xiàn)狀鋼錨箱式索塔錨固區(qū)是將拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞倒塔柱全截面地重要構(gòu)造。由于鋼錨箱構(gòu)造復(fù)雜、傳力路徑多、應(yīng)力分布不均勻、破壞機(jī)理復(fù)雜，類似結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例和試驗(yàn)資料較少，設(shè)計(jì)時(shí)一般采用有限元數(shù)值分析結(jié)合模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。如上文所述，斜拉索的水平分力是按照剛度比分配到混凝土塔壁、鋼錨箱側(cè)板和橫隔板上的。因此在設(shè)計(jì)階段，首先要分析混凝土塔壁和鋼錨箱拉力的分配比例，并根據(jù)分析結(jié)果錨箱剛度和混凝土塔壁厚度作適當(dāng)調(diào)整。在這方面，華新[24]和蘇慶田[20]通過(guò)對(duì)混凝土塔壁和鋼錨箱抗拉剛度的分析，將混凝土塔壁和鋼錨箱分別簡(jiǎn)化為框架和拉桿，得到平面框架計(jì)算模型，各自推導(dǎo)了各構(gòu)件拉力分配公式，研究了各參數(shù)變化對(duì)拉力分配的影響。平面框架模型計(jì)算快速簡(jiǎn)便，可大致得到斜拉索水平力的分配關(guān)系和混凝土塔壁主要斷面的應(yīng)力大小，但卻無(wú)法分析鋼錨箱的受力。更為準(zhǔn)確的方法是進(jìn)行索塔錨固區(qū)的空間有限元分析，混凝土塔壁用體單元模擬，鋼錨箱的鋼板用體單元或者有厚度的板殼單元模擬。在蘇通大橋主橋設(shè)計(jì)專題報(bào)告—《索塔錨固區(qū)方案比選和設(shè)計(jì)》和同濟(jì)大學(xué)提交的研究報(bào)告[9]中，都采用有限元軟件ANSYS，對(duì)索塔錨固區(qū)建立了三維空間有限元模型，分析了內(nèi)置式和外露式鋼錨箱結(jié)構(gòu)的受力，以及在塔壁內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力對(duì)索塔受力的影響。文獻(xiàn)[9]還采用3種不同方法模擬剪力釘，分析了剪力釘?shù)膬?nèi)力分布。然而正如在上節(jié)錨固區(qū)受力特性中所指出，在正常使用荷載作用下，單位高度的混凝土塔壁有兩種受力形態(tài)，在拉索前側(cè)塔壁基本為純彎構(gòu)件，側(cè)面塔壁為偏心受拉構(gòu)件。受拉區(qū)混凝土一旦開裂，構(gòu)件將進(jìn)入帶裂縫工作階段，混凝土構(gòu)件的剛度將會(huì)顯著的降低。然而到目前為止，關(guān)于鋼錨箱式索塔錨固區(qū)的分析，無(wú)論是平面桿系計(jì)算，還是空間有限元分析，都假定混凝土是理想彈性材料，只是將混凝土的彈性模量乘以折減系數(shù)，以考慮開裂的影響。關(guān)于折減系數(shù)的取值，一般直接參照原橋梁規(guī)范關(guān)于鋼筋混凝土超靜定結(jié)構(gòu)變形計(jì)算時(shí)采用的剛度折減系數(shù)0.67。新版橋梁規(guī)范[14]指出，“原規(guī)范計(jì)算鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的撓度時(shí)，采用開裂截面的剛度，不考慮未開裂截面對(duì)構(gòu)件抗撓曲的影響，是偏保守的?！毙乱?guī)范根據(jù)東南大學(xué)有關(guān)研究資料，將一根帶裂縫工作的受彎構(gòu)件視為一根不等剛度的構(gòu)件，裂縫處剛度最小，兩裂縫間剛度最大，將上述變剛度構(gòu)件等效為等剛度構(gòu)件，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，按在端部彎矩作用下構(gòu)件轉(zhuǎn)角相等的原則，求得等剛度受彎構(gòu)件的等效剛度。等效剛度的取值于與開裂彎矩和截面上所受彎矩有關(guān)。對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，截面上所受彎矩是唯一確定的，而對(duì)于鋼錨箱構(gòu)造的索塔錨固區(qū)而言，混凝土塔壁上所受的彎矩不僅和外荷載有關(guān)，還和塔壁本身剛度，也就是混凝土彈性模量折減系數(shù)有關(guān)。至此，彈性模量折減系數(shù)便只能通過(guò)迭代求解了。至于直接從混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系上考慮開裂引起的非線性，從目前檢索到的索塔錨固區(qū)相關(guān)資料上看，還沒(méi)看到類似文獻(xiàn)。除了混凝土彈性模量的取值，有限元建模的另一個(gè)問(wèn)題就是鋼錨箱與混凝土結(jié)合面如何模擬。從現(xiàn)有的資料上看，關(guān)于鋼錨箱與混凝土結(jié)合面的模擬有兩種方法：一、如果只關(guān)心鋼錨箱和混凝土塔壁的受力情況，而對(duì)鋼錨箱上剪力釘受力并不關(guān)注，則可以假定鋼錨箱端板與混凝土塔壁是緊密接觸，也就是完全不考慮剪力釘?shù)拇嬖?。二、如果關(guān)注重點(diǎn)是剪力釘?shù)膬?nèi)力分布，有限元建模時(shí)，采用彈簧元來(lái)模擬剪力釘，鋼錨箱與混凝土塔壁之間的壓力、豎向剪力和橫向剪力直接由剪力釘傳遞，忽略鋼混凝土結(jié)合面的摩擦力和接觸壓應(yīng)力。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，鋼混結(jié)合面不僅傳遞接觸壓應(yīng)力，還傳遞摩擦力。對(duì)于這部分接觸力，因計(jì)算麻煩，常規(guī)有限元分析通常認(rèn)為偏與安全的而不予考慮。但是忽略接觸面應(yīng)力，是否真的是偏與安全，它對(duì)于塔壁的受力有多大影響呢？目前還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)就此作過(guò)分析。除有限元理論分析外，確認(rèn)索塔錨固區(qū)受力最直接的方法就是模型試驗(yàn)。以往國(guó)內(nèi)外索塔錨固區(qū)大比例模型試驗(yàn)主要是模擬水平索力，而該橋索塔錨固區(qū)的實(shí)際拉索是斜向作用的，水平索力主要由鋼錨箱側(cè)板自平衡，斜拉索分解的豎向分力是錨固區(qū)傳遞的主要作用力，因此作用的索力需要與該索塔節(jié)段實(shí)際受力狀態(tài)相同，正確模擬斜拉索的作用力的大小以及方向。杭州灣跨海大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段模型試驗(yàn)研究[31]設(shè)計(jì)制作了一套自平衡式的三維加載系統(tǒng)，能夠進(jìn)行空間加載，但做試驗(yàn)的索塔節(jié)段一般為塔頂以下第2或第3個(gè)節(jié)段，對(duì)于由截取的試驗(yàn)節(jié)段以上由塔壁自重和斜拉索豎向分力產(chǎn)生的作用塔壁上的豎向力的影響，該試驗(yàn)并沒(méi)有考慮。除此之外，同是鋼錨箱構(gòu)造的索塔錨固區(qū)，杭州灣大橋最大設(shè)計(jì)索力為5140kN，蘇通長(zhǎng)江大橋?yàn)?450kN，而本課題來(lái)源的滬崇蘇越江通道長(zhǎng)江大橋，由于遠(yuǎn)期方案要考慮輕軌過(guò)江，塔端最大設(shè)計(jì)索力達(dá)到11260kN。長(zhǎng)江大橋的索塔錨固區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸和蘇通大橋相差無(wú)幾，在如此巨大的集中索力作用下，索塔的受力性能究竟如何，實(shí)際的承載能力到底是多少，必須通過(guò)試驗(yàn)予以確認(rèn)。1.4工程背景本研究課題來(lái)源于正在設(shè)計(jì)研究中的滬崇蘇越江通道長(zhǎng)江大橋索塔索梁錨固區(qū)節(jié)段靜力試驗(yàn)研究科研項(xiàng)目。上海長(zhǎng)江大橋是國(guó)內(nèi)索力最大的斜拉橋，橋跨布置為107+243+730+243+107=1430m，采用五跨連續(xù)全飄浮體系，空間雙索面布置，見圖1.4.1所示。梁體采用分離式雙主梁形式，兩主梁間距為10.5m（施工圖調(diào)整為10.0m），中間采用中間橫系梁聯(lián)結(jié)，箱梁結(jié)構(gòu)為扁平閉口流線型鋼箱。主塔為“人”字形獨(dú)柱鋼筋混凝土索塔，自承臺(tái)頂面至塔頂總高約212m；分為橋面以下的下塔柱、錨索區(qū)的上塔柱、其間的中塔柱；主塔塔柱為鋼筋混凝土箱形斷面，下塔柱由兩個(gè)的單箱單室漸變成一個(gè)單箱單室，塔根部單箱結(jié)構(gòu)外尺寸：12m（順橋向）×14m（橫橋向）；中塔柱及上塔柱為單箱單室斷面，結(jié)構(gòu)外尺寸：9m×9m～7.4m×7.4m（塔頂），四角設(shè)1.2m×1.2m的倒角。斜拉索采用空間扇形雙索面布置形式，全橋共192根斜拉索。長(zhǎng)江大橋工程索塔錨固區(qū)節(jié)段總長(zhǎng)56.55m，共23個(gè)鋼錨箱節(jié)段，節(jié)段高2.3m～3.2m，節(jié)段1位于索塔錨固區(qū)的底部，節(jié)段23位于索塔錨固區(qū)的頂部。第23?！?＃號(hào)索依次錨固在鋼錨箱上，0＃、1＃號(hào)索錨固于錨固區(qū)底部混凝土上表面。圖1.4.1上海長(zhǎng)江大橋總體布置圖(m)圖1.4.2上海長(zhǎng)江大橋橋塔布置圖(cm)圖1.4.3上海長(zhǎng)江大橋橋塔錨固區(qū)典型斷面圖(mm)圖1.4.4上海長(zhǎng)江大橋橋塔錨固區(qū)節(jié)段鋼錨箱立面圖(mm)圖1.4.5上海長(zhǎng)江大橋橋塔錨固區(qū)節(jié)段鋼錨箱平面布置圖(mm)圖1.4.6上海長(zhǎng)江大橋橋塔錨固區(qū)節(jié)段剪力釘布置圖一(mm)圖1.4.7上海長(zhǎng)江大橋橋塔錨固區(qū)節(jié)段剪力釘布置圖二(mm)表1.4.1上海長(zhǎng)江大橋索力（kN）索號(hào)索力索號(hào)索力索號(hào)索力索號(hào)索力Z13929Z137540B13929B136738Z24244Z147562B24245B147558Z34875Z158389B34876B158382Z44882Z168415B44883B169052Z54890Z179090B55519B179079Z65527Z189121B65529B189108Z75538Z199478B75855B199462Z85866Z209511B86340B209493Z96353Z2110366B96354B2110343Z106369Z2211226B106369B2211185Z116703Z2311267B116385B2311209Z127518B1267201.5本文的研究目的和主要內(nèi)容本課題來(lái)源于正在設(shè)計(jì)研究中的滬崇蘇越江通道長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段靜力試驗(yàn)科研項(xiàng)目。斜拉橋索塔錨固區(qū)是將斜拉橋的上部結(jié)構(gòu)自重和所承受的所有外荷載傳遞到索塔的重要結(jié)構(gòu)。鋼錨箱方案，錨固區(qū)荷載大、空間小、構(gòu)造復(fù)雜、傳力路徑多、應(yīng)力分布不均勻、破壞機(jī)理復(fù)雜。由于類似結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例和試驗(yàn)資料較少，而本課題來(lái)源的滬崇蘇越江通道長(zhǎng)江大橋，遠(yuǎn)期方案要考慮輕軌過(guò)江，塔端最大設(shè)計(jì)索力達(dá)到11260kN，是目前國(guó)內(nèi)最大索力斜拉橋。在如此巨大的集中索力作用下，索塔的受力性能究竟如何，實(shí)際的承載能力到底是多少，必須通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文將通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算、理論分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。通過(guò)這一研究計(jì)劃，不僅為長(zhǎng)江大橋的設(shè)計(jì)與施工提供可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，而且可以為同類橋梁設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)研究增添寶貴的實(shí)測(cè)資料。本文主要做了以下幾項(xiàng)工作：1．結(jié)合上海長(zhǎng)江大橋工程，對(duì)其索塔錨固區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)研究。選取典型的受力最大的第22個(gè)索塔錨固節(jié)段，制作1：2.5比例的縮尺模型，測(cè)試在不同主要荷載工況和分級(jí)加載情況下，索塔混凝土、鋼錨箱板件主要控制點(diǎn)的應(yīng)力與變形，研究應(yīng)力分布與大?。挥^察與測(cè)試錨箱與混凝土連接處的應(yīng)力、變形與裂縫，確認(rèn)多排剪力釘?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)與承載能力；觀察與測(cè)試索塔混凝土在不同荷載等級(jí)下的裂縫分布及裂縫大??；確認(rèn)索塔錨固區(qū)的承載能力及安全儲(chǔ)備。采用ANSYS對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒂邢拊Ｐ?，并將?shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元結(jié)果做對(duì)比。2．從整體結(jié)構(gòu)上分析了斜拉索索力的傳遞規(guī)律，分析拉索的水平分力、豎向分力如何在索塔錨固區(qū)構(gòu)件中傳遞，定量計(jì)算了各部分構(gòu)件具體分擔(dān)了多少拉索水平分力和多少拉索豎向分力的比例。另外，將實(shí)際索塔節(jié)段簡(jiǎn)化為平面框架模型，從理論上對(duì)鋼錨箱這種鋼—混組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗拉剛度分析，推導(dǎo)了各構(gòu)件拉力分配公式，研究了各參數(shù)變化對(duì)拉力分配和塔壁控制點(diǎn)應(yīng)力的影響。3、結(jié)合上海長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)剪力釘?shù)牟贾们闆r，對(duì)其建立空間的有限元模型，計(jì)算分析剪力釘?shù)氖芰η闆r，研究剪力釘內(nèi)力在豎向和橫橋向的分布規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)有的剪力釘布置情況，比較了改變剪力釘橫向間距對(duì)剪力釘受力的影響。針對(duì)剪力釘性能試驗(yàn)得出的剪力釘抗剪剛度差異較大的情況，討論了剪力釘抗剪剛度對(duì)剪力釘受力的影響，另外采用實(shí)測(cè)剪力釘荷載位移曲線，研究剪力釘非線性剛度對(duì)剪力釘受力的影響。4、針對(duì)索塔錨固區(qū)鋼混結(jié)合面的接觸問(wèn)題，在有限元模型中，考慮鋼混結(jié)合面的接觸效應(yīng)，研究摩擦力對(duì)混凝土塔壁，和剪力釘?shù)氖芰τ绊憽?．針對(duì)線彈性有限元分析得到橫橋向混凝土塔壁名義拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于混凝土抗拉強(qiáng)度，塔壁開裂嚴(yán)重的情況，嘗試了在ANSYS中，從混凝土的本構(gòu)關(guān)系上考慮混凝土開裂引起的材料非線性，分析了混凝土開裂對(duì)索塔受力的影響。第2章索塔錨固區(qū)節(jié)段靜力試驗(yàn)第2章索塔錨固區(qū)節(jié)段靜力試驗(yàn)科學(xué)試驗(yàn)是重大工程建設(shè)中必不可缺的一環(huán)，是為結(jié)構(gòu)分析提供數(shù)據(jù)和結(jié)論的主要手段之一，也是檢驗(yàn)數(shù)值理論、解析理論和計(jì)算機(jī)分析正確性的主要依據(jù)[35,36]。國(guó)內(nèi)大跨徑斜拉橋索塔錨固區(qū)采用鋼錨箱構(gòu)造有杭州灣大橋、在建的蘇通大橋和金塘大橋。杭州灣大橋最大設(shè)計(jì)索力為5140kN，蘇通長(zhǎng)江大橋?yàn)?450kN，兩座大橋均針對(duì)錨固區(qū)受力進(jìn)行了節(jié)段模型試驗(yàn)。而本課題來(lái)源的滬崇蘇越江通道長(zhǎng)江大橋，由于遠(yuǎn)期方案要考慮輕軌過(guò)江，最大設(shè)計(jì)索力達(dá)到11260kN。而長(zhǎng)江大橋的索塔錨固區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸和蘇通大橋相差無(wú)幾，在如此巨大的集中索力作用下，索塔的受力性能究竟如何，裂縫寬度能不能滿足規(guī)范要求，實(shí)際的承載能力到底是多少，必須通過(guò)試驗(yàn)予以確認(rèn)。本章主要講述模型設(shè)計(jì)時(shí)所依循的模型試驗(yàn)理論，并介紹索塔錨固區(qū)節(jié)段模型的設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)加載和測(cè)試，最后給出了試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果并和有限元分析結(jié)果做了對(duì)比。2.1模型試驗(yàn)理論一．結(jié)構(gòu)相似的概念[35,36]如果表征一個(gè)系統(tǒng)中的物理現(xiàn)象的全部量（如線性尺寸、力、位移等）的數(shù)值，可由第二個(gè)系統(tǒng)中相對(duì)應(yīng)的諸量乘以不變的無(wú)量綱數(shù)得到，這兩個(gè)系統(tǒng)的物理現(xiàn)象就是相似。屬于力學(xué)現(xiàn)象的，叫做力學(xué)相似。這個(gè)無(wú)量綱常數(shù)稱為相似系數(shù)，或相似比。以P和m分別表示原型和模型的物理量，則各物理量之間的相似比定義為：幾何相似比：應(yīng)力相似比：應(yīng)變相似比：泊松相似比：，彈性模量相似比：位移相似比：，容重相似比邊界力相似比：，體積力相似比：二．相似理論的三個(gè)定理[35,36]（1）相似第一定理——相似現(xiàn)象的性質(zhì)對(duì)于兩個(gè)相似現(xiàn)象，它們的各個(gè)相似常數(shù)之間必須滿足一定的關(guān)系，相似現(xiàn)象的相似指標(biāo)等于1。定義相似第一定理為：相似現(xiàn)象的相似指標(biāo)等于1，或者相似判據(jù)相等。相似第一定理說(shuō)明相似現(xiàn)象的本質(zhì)，相似判據(jù)相等是兩個(gè)現(xiàn)象相似的必要條件。相似判據(jù)把兩個(gè)相似現(xiàn)象中的物理量聯(lián)系起來(lái)，以判別兩個(gè)現(xiàn)象是否相似并把某一現(xiàn)象研究所得的結(jié)果推廣應(yīng)用到另一相似現(xiàn)象中去。（2）相似第二定律——相似判據(jù)的確定相似第二定理表述為：如果一個(gè)物理現(xiàn)象可由n個(gè)物理量構(gòu)成的物理方程描述，n個(gè)物理量中有k個(gè)獨(dú)立物理量，即有k個(gè)基本物理量，則該物理現(xiàn)象也可以用這些量組的（n－k）個(gè)無(wú)量綱群的關(guān)系式來(lái)描述。這些無(wú)量綱群可以作為該物理現(xiàn)象的相似判據(jù)。設(shè)某一物理現(xiàn)象的物理方程為：（2-1）其中，為該物理現(xiàn)象的k個(gè)基本物理量，其量綱可表示為，其余（n-k）個(gè)導(dǎo)出物理量的量綱為：（2-2）按照相似第二定理，可以把n個(gè)物理量構(gòu)成的物理方程無(wú)量綱化為（n-k）個(gè)無(wú)量綱群的關(guān)系式：（2-3）相似第一定理指出了相似現(xiàn)象必須滿足的條件－相似判據(jù)相等。相似第二定理則指出了確定相似判據(jù)的方法。確定相似判據(jù)可采用以下兩種方法：方程式分析法和量綱分析法。當(dāng)研究現(xiàn)象中的各物理量之間的關(guān)系可以用方程式表述時(shí)，可應(yīng)用方程式分析法來(lái)導(dǎo)出相似判據(jù)；反之，當(dāng)相似現(xiàn)象過(guò)于復(fù)雜而無(wú)法建立表示過(guò)程的方程式時(shí)，可應(yīng)用量綱分析法。（3）相似第三定理——相似現(xiàn)象的充分和必要條件相似第三定理表述為：在幾何相似系統(tǒng)中如兩個(gè)現(xiàn)象由文字結(jié)構(gòu)相同的物理方程描述，且它們的單值條件相似，則兩個(gè)現(xiàn)象相似。單值條件表述如下：（a）原型和模型的幾何條件相似；（b）在所研究的過(guò)程中具有顯著意義的物理常數(shù)成正比；（c）兩個(gè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)相似；（d）在研究期間，兩個(gè)系統(tǒng)的邊界條件相似。幾何相似只要模型與原型各部分按同樣的比例尺縮小或放大。對(duì)于二維問(wèn)題或可簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題來(lái)考慮的三維模型，只要求保持平面尺寸的幾何相似而模型的厚度可按穩(wěn)定條件選取。三．靜力試驗(yàn)的相似條件[35,36]根據(jù)相似原理，進(jìn)行靜力模型設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足下列三方面的相似條件：（1）幾何條件這一條件要求原型和模型的幾何尺寸和相應(yīng)的位置應(yīng)保持相似。以表示幾何相似常數(shù)，它是原型各部分尺寸和模型各部分尺寸的比例常數(shù)，通稱模型比例。物體受荷載后將產(chǎn)生變形，在線性范圍內(nèi)，在小變形情況下，根據(jù)彈性力學(xué)中的幾何方程可以定出，要保持原型、模型相似，其線變形、角應(yīng)變、位移和幾何尺度的相似常數(shù)必須滿足（2-4）由于和都是無(wú)量綱量，因而要使原型、模型相似，應(yīng)使，于是有。應(yīng)當(dāng)指出，是為保證模型幾何尺寸嚴(yán)格相似應(yīng)滿足的要求，而不是保持幾何相似就能自動(dòng)滿足的，要使必須對(duì)模型的尺寸、容重和彈性模量都提出要求，在許多情況下將給模型制作帶來(lái)困難。在線性范圍內(nèi)，小變形可以不一定要求；對(duì)于大變形、大撓度、非線性穩(wěn)定試驗(yàn)，進(jìn)入塑性階段，一般要求或接近1。（2）物理?xiàng)l件這里是指發(fā)生物理現(xiàn)象的介質(zhì)的物理特性和受荷載引起的變化反應(yīng)必須相似。例如加載彈性范圍內(nèi)用以描述材料性質(zhì)的彈性模量E，剪切模量G，泊松系數(shù)，容重和應(yīng)力狀況，都應(yīng)根據(jù)需要滿足相似條件的要求。對(duì)于各向同性體，在彈性范圍內(nèi)，由彈性力學(xué)的物理方程可知，要原型、模型相似，必須使和應(yīng)力的相似常數(shù)和等滿足下列條件：，，（2-5）由于是無(wú)量綱量，在模型相似條件中應(yīng)取，這一要求在脆性材料結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中一般不難達(dá)到，為此應(yīng)盡量做到或接近于1。（3）邊界條件相似邊界條件是指物體表面所受的外力、荷載作用順序、約束條件和初始條件等，其中約束條件必須與原型相同。至于荷載作用順序，對(duì)于線性問(wèn)題無(wú)關(guān)緊要，對(duì)于非線性問(wèn)題必須考慮荷載作用順序。結(jié)構(gòu)表面作用有靜態(tài)外力時(shí)，根據(jù)用應(yīng)力表示的表面條件可知，表面壓強(qiáng)p、集中力P和力矩M等的相似常數(shù)分別為：，，（2-6）2.2索塔錨固區(qū)節(jié)段靜力試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.2.1試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容上海長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)采用鋼錨箱式錨固結(jié)構(gòu)。鋼錨箱方案，錨固區(qū)荷載大、空間小、構(gòu)造復(fù)雜、傳力路徑多、應(yīng)力分布不均勻、破壞機(jī)理復(fù)雜。由于類似結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例和試驗(yàn)資料較少，這種局部應(yīng)力對(duì)錨箱工作性能和承載能力影響難以判斷，需要通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。錨箱體積小、鋼板厚度大、焊接加工難度大，殘余變形和殘余應(yīng)力難以確定。同時(shí)，殘余變形和殘余應(yīng)力對(duì)錨箱工作性能和承載能力影響難以判斷，必須通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)。索塔為鋼筋混凝土塔，斜拉索錨固區(qū)應(yīng)力集中，混凝土為三向受力狀態(tài)，配筋復(fù)雜，而且配筋量大，結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理復(fù)雜。錨固區(qū)混凝土局部區(qū)域出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，這種局部應(yīng)力對(duì)混凝土裂縫、工作性能和承載能力的影響難以判斷。因此，對(duì)斜拉索錨固區(qū)局部應(yīng)力大小、主應(yīng)力分布和應(yīng)力流方向進(jìn)行詳細(xì)的分析和試驗(yàn)研究，需要通過(guò)模型試驗(yàn)確認(rèn)。特別是鋼錨箱與混凝土的剪力，不僅通過(guò)剪力連接鍵直接傳遞，而且通過(guò)錨箱鋼板與混凝土的摩擦也會(huì)分擔(dān)部分剪力。另外剪力釘受力在豎橋向和橫橋向均不均勻，其不均勻規(guī)律需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)選取典型的受力最大的第22個(gè)索塔錨固節(jié)段，制作1：2.5比例的縮尺模型，測(cè)試在不同主要荷載工況和分級(jí)加載情況下，索塔混凝土、鋼錨箱板件主要控制點(diǎn)的應(yīng)力與變形，研究應(yīng)力分布與大??；(2)觀察與測(cè)試錨箱與混凝土連接處的應(yīng)力、變形與裂縫，確認(rèn)多排剪力釘?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)與承載能力；(3)觀察與測(cè)試索塔混凝土在不同荷載等級(jí)下的裂縫分布及裂縫大?。?4)確認(rèn)索塔錨固區(qū)的承載能力及安全儲(chǔ)備；2.2.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)根據(jù)《滬崇蘇越江通道長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段模型試驗(yàn)招標(biāo)文件》及該模型試驗(yàn)方案的要求，截取索塔錨固區(qū)受力最不利的第22節(jié)段進(jìn)行模型試驗(yàn)，模型比例1：2.5，模型高度2.944m，平面尺寸6.16×3.36m。鋼錨箱結(jié)構(gòu)按照1：2.5的縮尺比例加工，混凝土塔壁配筋按照配筋率相等的原則設(shè)置，剪力釘尺寸GB/T22×150。為實(shí)現(xiàn)斜拉索的斜向加載，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)時(shí)通常有以下2種做法：一：設(shè)計(jì)一套自平衡式的三維加載系統(tǒng)。典型的如杭州灣跨海大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段模型試驗(yàn)[32]，加載示意圖如下圖2.2.2.1所示。圖2.2.2.1杭州灣跨海大橋索塔節(jié)段錨固區(qū)加載模型示意圖具體做法是先用鋼板加工制作一個(gè)鋼反力架，再澆注一個(gè)鋼筋混凝土試驗(yàn)臺(tái)座，并將鋼反力架的下部預(yù)埋在試驗(yàn)臺(tái)座中；鋼反力架的四根H形截面立柱從模型的中空孔中穿出，與上部連接；鋼反力架的上部設(shè)四塊反力板，分別于模型鋼錨箱中對(duì)應(yīng)的四塊斜拉索錨墊板平行，四臺(tái)大噸位千斤頂分別安裝在四對(duì)平行的錨墊板與反力板之間進(jìn)行頂推加載。這種加載設(shè)計(jì)通過(guò)自平衡系統(tǒng)由千斤頂頂推加載，省卻了斜拉索的費(fèi)用，但對(duì)錨箱中間的凈空卻提出限制條件，即錨箱中間順橋向凈距要能滿足布置下2臺(tái)大噸位千斤頂和鋼反力架。所以這套加載系統(tǒng)一般僅適用于1：1的足尺模型。二、在模型底部設(shè)鋼筋混凝土伸臂反力梁，拉索錨固于錨箱錨墊板，試驗(yàn)時(shí)在下反力梁端張拉預(yù)應(yīng)力索。索塔節(jié)段和反力梁之間設(shè)置油毛氈或薄鋼板，使得兩者之間能夠相對(duì)滑動(dòng)。長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段模型試驗(yàn)采用上述加載方式，模型試驗(yàn)裝置如圖2.2.2.2示意。圖2.2.2.2索塔節(jié)段錨固區(qū)加載模型示意圖這樣，鋼錨箱左右同時(shí)受到斜向下的索力作用，拉索的水平分力使得鋼錨箱受拉，左右基本相同，由鋼錨箱自身平衡；拉索的豎向分力由錨箱通過(guò)鋼墊板或油毛氈傳遞到下反力梁。反力梁左右同時(shí)收到斜向上的索力作用，索力的水平分力使得反力梁受壓，左右對(duì)稱，由反力梁自身平衡；拉索的豎向分力使得反力梁在靠近索塔節(jié)段邊緣處截面產(chǎn)生巨大的豎向剪力和彎矩，必須要在反力梁內(nèi)設(shè)置強(qiáng)大配筋來(lái)避免在反力梁在試驗(yàn)節(jié)段破壞之前開裂嚴(yán)重而退出工作。采用這種加載方式能保證索力作用方向與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全一致。同時(shí)張拉端放在下反力梁處，因而對(duì)錨箱中間的凈空幾乎沒(méi)有要求，適用于縮尺模型。為模擬塔壁受到的上面節(jié)段傳遞的豎向壓力，在試驗(yàn)塔壁的上部設(shè)置一個(gè)與混凝土塔壁平面形狀相似的反力梁，該反力梁的寬度比混凝土塔壁寬一些，并在上下反力梁間張拉精軋螺紋鋼筋。為減小水平摩擦力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，特分別在塔壁與上、下反力梁間設(shè)2層鋼板，并在鋼板之間涂刷機(jī)油。由于實(shí)橋索塔錨固區(qū)上下節(jié)段相互影響，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭唤厝×说?2節(jié)段，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭性趶?qiáng)大索力作用下，試件底部混凝土受到水平拉力大于頂部混凝土，造成與實(shí)際結(jié)構(gòu)不相符和的變形和受力。因此在試件的頂部設(shè)置小噸位的千斤頂，在平行于鋼錨箱方向施加水平推力以模擬索塔節(jié)段的平面應(yīng)變受力狀態(tài)。這樣做的結(jié)果是試驗(yàn)節(jié)段混凝土塔壁在1.0P索力作用時(shí)，模型索力并不是簡(jiǎn)單的由實(shí)際索力按照幾何相似比的平方進(jìn)行換算，而是比換算索力要小，另一部分則由輔助千斤頂來(lái)承擔(dān)。兩者的水平分力之和與實(shí)際結(jié)構(gòu)索力的水平分力滿足相似比。然而鋼錨箱中主要受力板件如承壓板、支承板、加勁板等其受力僅和錨頭索力大小有關(guān)，輔助千斤頂因直接作用于錨箱頂部端板處，對(duì)上述板件受力影響甚微。因此當(dāng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯撳^箱在1.0P索力作用時(shí)，當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)滿足與實(shí)際結(jié)構(gòu)相似時(shí)，模型索力等于實(shí)際索力按照幾何相似比的平方換算后得到的索力。因此，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕炷了诤弯撳^箱并不是同時(shí)達(dá)到與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力相似的狀態(tài)。混凝土塔壁的1.0P索力要小于鋼錨箱的1.0P索力。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到最大值時(shí)（主千斤頂2720kN，輔助千斤頂680kN），混凝土塔壁受力與實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)索力的1.7倍的受力狀態(tài)相似，而鋼錨箱受力僅對(duì)應(yīng)與設(shè)計(jì)索力的1.48P。2.2.3試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際結(jié)構(gòu)受力比較有限元模型采用大型通用有限元軟件Ansys對(duì)長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒘丝臻g有限元模型。其中混凝土采用8節(jié)點(diǎn)Solid65單元模擬，混凝土塔壁平面內(nèi)主要環(huán)向受力鋼筋采用Link8單元模擬，其余鋼筋采用Solid自帶的分布鋼筋模式以體配筋率的方式考慮。鋼錨箱板件采用Shell63單元模擬。實(shí)際結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2.2.3.1所示，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2.2.3.2所示。鋼錨箱板件編號(hào)見圖2.2.3.3所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭绣^墊板和承壓板是頂緊接觸，這里受力情況復(fù)雜，一方面錨墊板直接受到斜拉索錨頭傳來(lái)的巨大壓力，另一方面錨墊板和承壓板在面外壓力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，使得錨墊板傳遞到承壓板上的應(yīng)力分布不確定。為了有效的模擬該部位的受力，這里采用了非線性接觸方法分析，即在錨墊板和承壓板之間建立接觸單元，通過(guò)板件間受力變形情況來(lái)判斷二者的接觸面積。鋼混結(jié)合面之間的剪力釘采用三維彈簧單元來(lái)模擬，同時(shí)在鋼混結(jié)合面間建立接觸單元，以考慮結(jié)合面的摩擦力和壓力傳遞作用。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，混凝土塔壁與上下反力梁之間墊了2層6mm鋼板，鋼板之間涂刷機(jī)油，以盡可能模擬塔壁實(shí)際的邊界條件。在有限元模型中，采用接觸單元來(lái)模擬這一邊界條件，接觸面摩擦系數(shù)采用實(shí)測(cè)值。圖2.2.3.1實(shí)際結(jié)構(gòu)有限元模型圖圖2.2.3.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀邢拊w模型圖圖2.2.3.3鋼錨箱板件編號(hào)圖邊界條件及荷載在試驗(yàn)有限元模型中，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞?根混凝土立柱底面的節(jié)點(diǎn)固結(jié)。在鋼錨箱上，斜拉索的索力以環(huán)形面荷載的方式作用于錨墊板上，再由錨墊板傳遞到承壓板、支承板。在下反力梁處直接以面荷載的方式加載。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)時(shí)，在試驗(yàn)塔壁的頂部設(shè)置小噸位的千斤頂，在平行于鋼錨箱方向施加水平推力以模擬索塔節(jié)段的平面應(yīng)變受力狀態(tài)。在有限元模型中，改輔助千斤頂產(chǎn)生的頂推壓力直接以面荷載的方式作用于鋼錨箱端板上。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，為模擬頂部節(jié)段傳遞的豎向壓力作用，在試驗(yàn)塔壁的上部和下部各設(shè)置了反力梁，并在上下反力梁間張拉精軋螺紋鋼筋。有限元模型中，精軋螺紋鋼筋產(chǎn)生的豎向壓力在反力梁的相應(yīng)位置以面荷載的方式加載。有限元對(duì)比結(jié)果有限元對(duì)比著重于索塔截面開裂嚴(yán)重的橫橋向塔壁正應(yīng)力，以及鋼錨箱主要受力板件如支承板、側(cè)板、橫隔板、承壓板的受力比較。圖2.2.3.4～2.3.3.7給出了實(shí)際結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ退魉孛嬲龖?yīng)力對(duì)比情況。圖2.2.3.4實(shí)際結(jié)構(gòu)索塔橫橋向塔壁正應(yīng)力（kPa）圖2.2.3.5試驗(yàn)?zāi)Ｐ退魉M橋向塔壁正應(yīng)力（kPa）圖2.2.3.6實(shí)際結(jié)構(gòu)索塔順橋向塔壁正應(yīng)力（kPa）圖2.2.3.7試驗(yàn)?zāi)Ｐ退魉槝蛳蛩谡龖?yīng)力（kPa）由上圖可見，就試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注的橫橋向塔壁受力而言，雖然試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H僅截取了索塔實(shí)際結(jié)構(gòu)第22節(jié)段，上下邊界沒(méi)有相鄰節(jié)段的約束作用。但由于在混凝土塔壁與上下反力梁之間墊了2層6mm鋼板，鋼板之間涂刷機(jī)油，以盡可能模擬塔壁實(shí)際的邊界條件，而且在錨箱節(jié)段上部另設(shè)置了輔助千斤頂，盡可能使索塔節(jié)段混凝土上下受力一致。從結(jié)果來(lái)看，采用以上所述措施后，索塔節(jié)段上下受力基本一致，凹槽處最大應(yīng)力也與實(shí)際結(jié)構(gòu)很接近。而橫橋向塔壁內(nèi)側(cè)由于上部收到輔助千斤頂作用，局部有應(yīng)力集中，但即使在1.7倍索力作用下，也沒(méi)有超過(guò)混凝土抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚槝蛳蛩谑茼敳枯o助千斤頂影響較小，因此受力上下不均勻性比較明顯，除拐角處有局部應(yīng)力集中外，大部分區(qū)域應(yīng)力大小和實(shí)際結(jié)構(gòu)基本一致。圖2.2.3.8～2.3.3.9給出了實(shí)際結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯撳^箱主側(cè)板受力的對(duì)比情況。圖2.2.3.8鋼錨箱側(cè)板內(nèi)側(cè)正應(yīng)力對(duì)比（kPa）圖2.2.3.9鋼錨箱側(cè)板外側(cè)正應(yīng)力對(duì)比（kPa）由上圖可以看出，雖然在鋼錨箱上部設(shè)置了輔助千斤頂，保證了混凝土塔壁受力和實(shí)際結(jié)構(gòu)基本一致。但由于輔助千斤頂位置離開錨箱側(cè)板有些距離，大部分千斤頂作用力通過(guò)端板直接傳遞到混凝土塔壁，而對(duì)側(cè)板受力影響較小。側(cè)板受力主要由索力傳遞到支承板，再通過(guò)支承板與其的焊縫傳遞到側(cè)板。因此試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袀?cè)板受力上小下大，呈不均勻分布。但除側(cè)板下部局部區(qū)域外，大部分受力與實(shí)際結(jié)構(gòu)接近。圖2.2.3.10～2.3.3.15給出了實(shí)際結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯撳^箱其它主要受力板件的對(duì)比情況。圖2.2.3.10鋼錨箱橫隔板水平應(yīng)力對(duì)比（kPa）圖2.2.3.11鋼錨箱支承板平行索力方向?qū)Ρ龋╧Pa）圖2.2.3.12鋼錨箱支承板平面內(nèi)剪應(yīng)力對(duì)比（kPa）圖2.2.3.13鋼錨箱支承板Mises應(yīng)力對(duì)比（kPa）圖2.2.3.14鋼錨箱承壓板Mises應(yīng)力對(duì)比（kPa）圖2.2.3.15鋼錨箱加勁板平行索力方向正應(yīng)力對(duì)比（kPa）由上圖可以看出，鋼錨箱除側(cè)板橫隔板外，其余主要受力板件僅和索力大小有關(guān)，而索塔節(jié)段邊界條件對(duì)其受力影響甚微，從上面對(duì)比圖也可以看出，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭С邪濉⒓觿虐?、承壓板等受力與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本一致。2.2.3構(gòu)件的加工制造和材料特性索塔錨固區(qū)靜力加載試驗(yàn)的鋼錨箱由鐵道部山海關(guān)橋梁工廠加工制造。各種厚度板件的彈性模量測(cè)試結(jié)果見表2.2.3.1。表2.2.3.1長(zhǎng)江大橋索塔錨固區(qū)模型板件彈性模量測(cè)試結(jié)果編號(hào)厚度(mm)規(guī)格彈性模量E(Mpa)彈性模量均值E(Mpa)σ0.2(Mpa)σ0.2均值(Mpa)極限強(qiáng)度f(wàn)u(Mpa)極限強(qiáng)度均值fu(Mpa)5-118Q345qD426.4413.4561.635558.35-2218446.7216530.4396.2547.1615-3214614.0417.7566.1006-116Q345qD202682.5211300.6258.1314.5393.917454.56-2218446.7249.7392.9456-3212772.7435.6576.5477-112Q345qD202682.5202682.5258.1258.1附注：板厚為12mm的第七組試件太細(xì)，無(wú)法做彈性模量試驗(yàn)，只給出部分?jǐn)?shù)據(jù)供參考。板厚為18mm的5-1組彈性模量數(shù)據(jù)有些問(wèn)題，故沒(méi)有填入表格。在塔壁與上、下反力梁間設(shè)置的2層鋼板，并在鋼板之間涂刷機(jī)油后，滑動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)測(cè)為0.056。索塔錨固區(qū)靜力試驗(yàn)試驗(yàn)混凝土部分在長(zhǎng)江大橋施工現(xiàn)場(chǎng)澆注完成，各構(gòu)件混凝土的彈性模量和抗壓強(qiáng)度由工地力學(xué)試驗(yàn)室測(cè)試?；炷了跒镃50混凝土，28天齡期時(shí)加載，實(shí)測(cè)混凝土彈性模量為4.67×104MPa，實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度69.1MPa。2.2.4加載方案上海崇明越江通道長(zhǎng)江大橋遠(yuǎn)期方案第23節(jié)段最大索力設(shè)計(jì)值最大11270kN，第22節(jié)段最大索力設(shè)計(jì)值11230kN，換算到縮尺模型，并考慮試件頂部輔助千斤頂?shù)挠绊?，?duì)應(yīng)的模型索力為1600kN，輔助千斤頂400kN，該數(shù)值使得混凝土塔壁的應(yīng)力與實(shí)際結(jié)構(gòu)在1倍設(shè)計(jì)索力作用下的受力基本一致。而鋼錨箱除受拉的側(cè)板外，其余板件受力都只和主千斤頂有關(guān)，輔助千斤頂對(duì)其受力影響甚微，因此按照模型比例換算，當(dāng)模型索力為1840kN，輔助千斤頂為460kN時(shí)，鋼錨箱主要板件與實(shí)際結(jié)構(gòu)在1倍設(shè)計(jì)索力作用下的受力基本一致。完成上述步驟后，將試驗(yàn)荷載最大值取為設(shè)計(jì)索力的1.7倍（主千斤頂2720kN，輔助千斤頂680kN），該數(shù)值使得部分試件在彈塑性范圍內(nèi)工作，測(cè)試其在超載狀態(tài)下的工作性能。（1）預(yù)載試驗(yàn)正式試驗(yàn)之前，先進(jìn)行預(yù)載試驗(yàn)，預(yù)載最大噸位為480kN，分3級(jí)施加，每級(jí)持荷15min，然后卸載至0。各級(jí)的加載量值見表2.2.1。表2.2.1預(yù)載各級(jí)荷載加載量值(kN)加載步主千斤頂輔助千斤頂精軋螺紋鋼筋1160405023208050348012050（2）正式加載試驗(yàn)正式加載分為24級(jí)施加，各級(jí)的加載量值見表2.2.2，除在設(shè)計(jì)索力1600kN下持荷載30min觀察模型主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變、位移隨時(shí)間變化外，其余荷載下，參照《大跨徑橋梁試驗(yàn)方法》持荷15min，讀數(shù)并觀察裂縫寬度。表2.2.2正式加載各級(jí)荷載加載量值(kN)加載步主千斤頂輔助千斤頂精軋螺紋鋼筋加載步千斤頂輔助千斤頂精軋螺紋鋼筋11604050141920480100232080501520005001003480120501620805201004640160501721605401005800200501822405601706960240501923205801707112028050202400600170812803205021248062017091440360502225606401701016004001002326406601701116804201002427206801701217604401002522405601701318404601002616004001702.2.5測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試內(nèi)容為了敘述方便，先對(duì)測(cè)點(diǎn)編號(hào)原則和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片位置進(jìn)行說(shuō)明，見表。表2.2.5.1編號(hào)原則、應(yīng)變片位置首字母CBZCCYRIBHGSTGJHNT應(yīng)變片位置側(cè)板支承板承壓板加勁板橫隔板剪力釘鋼筋混凝土圖2.2.5.1側(cè)板貼片布置示意圖圖2.2.5.2側(cè)板貼片布置示意圖圖2.2.5.3承壓板貼片布置示意圖圖2.2.5.4主跨上承壓板上表面貼片布置圖圖2.2.5.5主跨下承壓板下表面貼片布置圖圖2.2.5.6主跨加勁肋貼片布置圖圖2.2.5.7橫隔板貼片布置圖圖2.2.5.8剪力釘貼片布置圖圖2.2.5.9混凝土塔壁位移計(jì)布置圖圖2.2.5.10混凝土塔壁A-A截面貼片布置圖圖2.2.5.11混凝土塔壁B-B截面貼片布置圖圖2.2.5.12混凝土塔壁C-C截面貼片布置圖試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容如下：1、測(cè)試所用混凝土、鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)；（混凝土：；鋼板：）2、測(cè)試荷載與混凝土塔壁橫向位移的變化關(guān)系；3、測(cè)試鋼錨箱各主要板件的應(yīng)力大小及分布；4、測(cè)試鋼錨箱剪力釘剪力沿高度方向及橫橋向的分布規(guī)律5、測(cè)試混凝土塔壁控制截面的應(yīng)力大小及分布；6、測(cè)試塔壁內(nèi)主要受力鋼筋的應(yīng)力大小；7、觀察各級(jí)荷載作用下裂縫開展情況，觀察并測(cè)量裂縫分布、寬度；8、確認(rèn)錨箱結(jié)構(gòu)的制作、加工與安裝的合理制作流程及可行性；9、確認(rèn)索塔錨固區(qū)制作與施工流程及可行性；2.2.6儀器設(shè)備YC280×150穿心式千斤頂YC70×150穿心式千斤頂箔式單向應(yīng)變片（2mmx3mm型）：應(yīng)變片電阻120歐，導(dǎo)電電阻0歐，靈敏度系數(shù)2.0；BX120-3CA應(yīng)變花（2mmx3mm型）：應(yīng)變片電阻120歐，導(dǎo)電電阻0歐，靈敏度系數(shù)2.0；千分表：輸出靈敏度1000；裂縫寬度對(duì)比卡、放大鏡DH3815靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試箱：220V/50HZ，靈敏度1，量程20000，采樣速度12點(diǎn)/秒，測(cè)量點(diǎn)數(shù)60點(diǎn)/臺(tái)采集箱；2.3試驗(yàn)結(jié)果2.3.1混凝土塔壁試驗(yàn)結(jié)果圖2.3.1.2～圖2.3.1.3示出了混凝土塔壁外側(cè)各測(cè)點(diǎn)的荷載位移曲線。其中奇數(shù)號(hào)測(cè)點(diǎn)（如測(cè)點(diǎn)1、3、5、7等）均為靠近塔壁節(jié)段頂部布置，而其中偶數(shù)號(hào)測(cè)點(diǎn)（如測(cè)點(diǎn)2、4、6、8等）均為靠近塔壁節(jié)段底部布置。圖2.3.1.1塔壁位移測(cè)點(diǎn)布置示意圖圖2.3.1.2主跨橫橋向塔壁凹槽中心荷載—位移關(guān)系曲線圖2.3.1.3順橋向塔壁中心荷載—位移關(guān)系曲線圖2.3.1.4給出了鋼錨箱端板與混凝土結(jié)合面的相對(duì)豎向位移荷載—位移曲線。圖2.3.1.4鋼混結(jié)合面相對(duì)豎向位移荷載—位移關(guān)系曲線圖2.3.1.6～圖2.3.1.11分別給出了在1.0P索力作用下塔壁表面的實(shí)測(cè)應(yīng)力分布以及有限元計(jì)算結(jié)果。局部坐標(biāo)系設(shè)在各個(gè)截面底面對(duì)稱軸處，AA區(qū)局部坐標(biāo)系如圖2.3.1.5所示，BB區(qū)、CC區(qū)的局部坐標(biāo)系同AA區(qū)。混凝土塔壁為C50，彈性模量實(shí)測(cè)值為4.67x104MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為69.1MPa，均遠(yuǎn)大于規(guī)范值。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD62—2004條文解釋第3.1.5條：。由于實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度僅測(cè)試了1組3個(gè)試件，而且各個(gè)試件實(shí)測(cè)值的離散性較大，因此下文由混凝土實(shí)測(cè)應(yīng)變換算到應(yīng)力時(shí)，采用的彈性模量為規(guī)范采用值3.45×104MPa。圖2.3.1.5A-A區(qū)局部坐標(biāo)系示意圖圖2.3.1.61.0P索力時(shí)混凝土塔壁A-A區(qū)實(shí)測(cè)應(yīng)力分布圖2.3.1.71.0P索力時(shí)混凝土塔壁A-A區(qū)有限元應(yīng)力分布由上圖可以看出，A-A區(qū)域即橫橋向塔壁凹槽處由于混凝土開裂后應(yīng)力發(fā)生重分布，實(shí)測(cè)應(yīng)力凹槽處應(yīng)力相對(duì)較小，反而兩側(cè)應(yīng)力較大，1.0P時(shí)最大應(yīng)力2.8MPa。有限元分析由于不考慮混凝土開裂引起的材料非線性，因此凹槽處應(yīng)力相對(duì)最大，這里偏差較大。圖2.3.1.81.0P索力時(shí)混凝土塔壁B-B區(qū)實(shí)測(cè)應(yīng)力分布圖2.3.1.91.0P索力時(shí)混凝土塔壁B-B區(qū)有限元應(yīng)力分布圖2.3.1.101.0P索力時(shí)混凝土塔壁C-C區(qū)實(shí)測(cè)應(yīng)力分布圖2.3.1.111.0P索力時(shí)混凝土塔壁C-C區(qū)有限元應(yīng)力分布由上圖可以看出，B-B區(qū)域順橋向塔壁內(nèi)側(cè)混凝土受拉，但除截面拐角處應(yīng)力集中有開裂外，其余區(qū)域開裂不明顯，有限元結(jié)果和實(shí)測(cè)應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。C-C區(qū)域順橋向塔壁外側(cè)混凝土受壓，有限元結(jié)果和實(shí)測(cè)應(yīng)力吻合較好。圖2.3.1.12～圖2.3.1.14分別給出了在混凝土各個(gè)截面對(duì)稱軸處沿著高度方向布置的3個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力隨荷載增大的變化規(guī)律。圖2.3.1.12混凝土塔壁A-A區(qū)部分測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)力曲線圖2.3.1.13混凝土塔壁B-B區(qū)部分測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)力曲線圖2.3.1.14混凝土塔壁C-C區(qū)部分測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)力曲線2.3.2裂縫觀測(cè)結(jié)果及分析經(jīng)過(guò)分級(jí)加載，在等效于0.3倍設(shè)計(jì)荷載下，主跨及邊跨橫橋向塔壁凹槽頂部折角處首次出現(xiàn)因頂推而產(chǎn)生的裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸向下開展，在1倍設(shè)計(jì)索力作用下，主跨橫橋向塔壁凹槽折角處實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.12mm，邊跨橫橋向塔壁凹槽折角處實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.10mm。試驗(yàn)荷載加到1.7P時(shí)，主跨凹槽折角處實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.25mm，凹槽中間并未發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)，邊跨凹槽折角處實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.20mm，凹槽中間的2條裂縫，裂縫寬度小于0.08mm。混凝土塔壁在各級(jí)荷載作用下裂縫開展示意圖見圖2.3.2.1～圖2.3.2.2所示。按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD62-2004第6.4.3條，矩形、T形和I形截面鋼筋混凝土構(gòu)件及B類預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，其最大裂縫寬度可按下列公式計(jì)算：式中：C1為鋼筋表面形狀系數(shù)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際結(jié)構(gòu)均為帶肋鋼筋，C1＝1.0；C2為作用（或荷載）長(zhǎng)期效應(yīng)影響系數(shù)；C3為與構(gòu)件受力性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際結(jié)構(gòu)中橫橋向塔壁凹槽出均為偏心受拉構(gòu)件，C3＝1.1；為受拉鋼筋合力作用處鋼筋的應(yīng)力；d為縱向受拉鋼筋的等效直徑，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭衐＝32mm，實(shí)際結(jié)構(gòu)凹槽處設(shè)置了2排232的受拉鋼筋，因此d＝＝45.25mm；為縱向受拉鋼筋配筋率，試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際結(jié)構(gòu)基本一致，且均大于0.02，按規(guī)范，均取為0.02；由上述分析可見，。由此推算，按照1：2.5縮尺模型實(shí)測(cè)得到的裂縫寬度，換算到實(shí)際結(jié)構(gòu)中，在1.0倍設(shè)計(jì)索力作用下，主跨橫橋向塔壁凹槽折角處最大裂縫寬度0.15mm，邊跨橫橋向塔壁凹槽折角處最大裂縫寬度0.12mm。加載到1.7P時(shí)，主跨凹槽折角處實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.30mm，邊跨凹槽折角處實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.24mm。圖2.3.2.1主跨橫橋向塔壁外表面裂縫分布示意圖圖2.3.2.2邊跨橫橋向塔壁外表面裂縫分布示意圖2.3.3鋼筋應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果圖2.3.3.1給出了塔壁內(nèi)鋼筋貼片布置示意圖。圖2.3.3.2～圖2.3.3.4給出了塔壁內(nèi)主要受力鋼筋的加載應(yīng)力曲線圖2.3.3.1塔壁鋼筋貼片布置示意圖圖2.3.3.2橫橋向塔壁凹槽中心外側(cè)受拉鋼筋荷載應(yīng)力曲線圖2.3.3.3順橋向塔壁中心外側(cè)受壓鋼筋貼片的荷載應(yīng)力曲線圖2.3.3.4順橋向塔壁中心內(nèi)側(cè)受拉鋼筋荷載應(yīng)力曲線2.3.4斜拉索水平力分配關(guān)系模型試驗(yàn)在鋼錨箱上下側(cè)板的內(nèi)外側(cè)對(duì)稱軸處和橫隔板對(duì)稱軸處都布置了貼片，以研究斜拉索水平分力的分配關(guān)系。在表2.3.4.1中給出了在一倍索力作用下斜拉索水平分力分配比例關(guān)系。由于該處測(cè)點(diǎn)布置較為密集，在由測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算板件分擔(dān)的水平力時(shí)，假定測(cè)點(diǎn)之間應(yīng)力線性變化，將同一位置處內(nèi)外測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力取平均后，得到板件中面上的平均應(yīng)力，則側(cè)板（或橫隔板）對(duì)稱軸上的水平力為：式中：為測(cè)點(diǎn)間距，為板件厚度。表2.3.4.1頂推至1.0P時(shí)模型水平力分配關(guān)系表(kN)項(xiàng)目側(cè)板橫隔板鋼錨箱拉索平均水平分力鋼錨箱承擔(dān)比例試驗(yàn)結(jié)果2919.2323.53242.74284.775.7%由上表可知，在斜拉索力作用下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯撳^箱承擔(dān)了大部分的拉索水平分力，占75％左右，另外25％由混凝土塔壁以及塔壁和上下反力梁之間的摩擦力承擔(dān)。但正如在本章2.2.3節(jié)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際結(jié)構(gòu)受力對(duì)比分析中所述，由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H截取了塔頂部第22節(jié)段，雖然采取了種種措施如設(shè)置輔助千斤頂、在試驗(yàn)的塔壁節(jié)段頂?shù)酌鎵|了2層鋼板，鋼板之間涂刷機(jī)油，使得試驗(yàn)最為關(guān)心的橫橋向塔壁受力與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，但鋼錨箱側(cè)板的受力由于沒(méi)有上下相鄰節(jié)段的作用，與實(shí)際結(jié)構(gòu)還是有所區(qū)別。由于設(shè)置了輔助千斤頂，使得鋼錨箱的一倍索力荷載與混凝土塔壁的一倍索力荷載并不相同。因此這里試驗(yàn)測(cè)得的在一倍索力作用下，鋼錨箱承擔(dān)了斜拉索水平分力的75％左右，僅僅是針對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ投?，?duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)而言是稍微偏小的。2.3.5鋼錨箱試驗(yàn)結(jié)果圖2.3.5.3～圖2.3.5.4給出了支承板在1.0P索力作用下實(shí)測(cè)應(yīng)力和有限元結(jié)果對(duì)比情況。圖2.3.5.1主跨側(cè)上支承板上表面貼片編號(hào)圖2.3.5.2主跨側(cè)下支承板表面貼片編號(hào)圖2.3.5.3主跨上支承板上表面在1.0P索力作用下應(yīng)力分布) 圖2.3.5.4主跨下支承板下表面在1.0P索力作用下應(yīng)力分布 圖2.3.5.5～圖2.3.5.6給出了支承板在1.48P索力作用下，實(shí)測(cè)的應(yīng)力分布情況。圖2.3.5.5主跨上支承板上表面在1.48P索力作用下應(yīng)力分布圖2.3.5.6主跨下支承板下表面在1.48P索力作用下應(yīng)力分布圖2.3.5.7～圖2.3.5.8給出了下支承板同一位置內(nèi)外測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力隨外荷載的變化規(guī)律。圖2.3.5.7主跨下支承板部分測(cè)點(diǎn)的荷載應(yīng)力曲線 圖2.3.5.8主跨下支承板部分測(cè)點(diǎn)的荷載應(yīng)力曲線 圖2.3.5.10給出了側(cè)板上測(cè)點(diǎn)在1.0P作用下實(shí)測(cè)Mises應(yīng)力分布。圖2.3.5.11給出了側(cè)板上測(cè)點(diǎn)在1.48P作用下實(shí)測(cè)Mises應(yīng)力分布。圖2.3.5.9側(cè)板內(nèi)外側(cè)貼片布置示意圖2.3.5.10側(cè)板測(cè)點(diǎn)在1.0P索力作用下Mises應(yīng)力分布圖2.3.5.11側(cè)板測(cè)點(diǎn)在1.48P索力作用下Mises應(yīng)力分布圖2.3.5.12～圖2.3.5.13分別給出了側(cè)板的內(nèi)側(cè)和外側(cè)在1.0P作用下實(shí)測(cè)應(yīng)力和有限元結(jié)果的對(duì)比情況。圖2.3.5.12側(cè)板內(nèi)側(cè)在1.0P作用下實(shí)測(cè)應(yīng)力和有限元應(yīng)力對(duì)比圖2.3.5.13側(cè)板外側(cè)在1.0P作用下實(shí)測(cè)應(yīng)力和有限元應(yīng)力對(duì)比圖2.3.5.14給出了側(cè)板的CB29和CB42測(cè)點(diǎn)的荷載應(yīng)力曲線。圖2.3.5.15給出了側(cè)板開孔圓弧過(guò)渡處內(nèi)外測(cè)點(diǎn)CB48、CB51的荷載應(yīng)力曲線。圖2.3.5.14側(cè)板CB42、CB29測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)力曲線圖2.3.5.15側(cè)板CB48、CB51測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)力曲線圖2.3.5.17和圖2.3.5.18分別出了上下側(cè)板對(duì)稱軸處內(nèi)外測(cè)點(diǎn)在1倍索力作用下的實(shí)測(cè)正應(yīng)力分布和有限元計(jì)算結(jié)果。圖2.3.5.16側(cè)板對(duì)稱軸上測(cè)點(diǎn)布置圖圖2.3.5.17側(cè)板對(duì)稱軸處在一倍索力作用下正應(yīng)力分布圖2.3.5.18側(cè)板對(duì)稱軸處在一倍索力作用下有限元結(jié)果圖2.3.5.19給出了加勁板在1倍索力作用下，加勁板上測(cè)點(diǎn)的正應(yīng)力。圖2.3.5.191.0P索力時(shí)加勁板實(shí)測(cè)正應(yīng)力圖2.3.5.20給出了在上下兩塊支承板間加勁板受力較大的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的正應(yīng)力隨外荷載增長(zhǎng)的變化規(guī)律。圖2.3.5.20加勁板部分測(cè)點(diǎn)的荷載—應(yīng)力曲線圖2.3.5.21給出了橫隔板對(duì)稱軸上測(cè)點(diǎn)在1.0P索力作用下水平正應(yīng)力的分布規(guī)律。圖2.3.5.21橫隔板在一倍索力作用下水平正應(yīng)力分布圖2.3.5.23-圖2.3.5.24給出了承壓板部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力隨外荷載增長(zhǎng)的變化規(guī)律。圖2.3.5.22承壓板各測(cè)點(diǎn)布置示意圖圖2.3.5.23承壓板CY02、CY04荷載—應(yīng)力曲線圖2.3.5.24承壓板CY03、CY05荷載—應(yīng)力曲線2.3.6剪力釘測(cè)試結(jié)果為觀察鋼錨箱多排剪力釘在索力作用下的的工作狀態(tài)，選取受力相對(duì)較大的2列1排剪力釘，分別在靠近剪力釘根部2cm的上表面和側(cè)面布置了應(yīng)變片，上表面貼片用于測(cè)量剪力釘在軸力和豎向剪力共同作用下的軸向應(yīng)變，側(cè)面貼片用于測(cè)量剪力釘在軸力和橫向剪力共同作用下的軸向應(yīng)變。因?yàn)殇撳^箱端板與混凝土塔壁緊密接觸，而剪力釘與混凝土僅為點(diǎn)接觸，因此荷載主要通過(guò)端板傳遞到混凝土塔壁而剪力釘軸力相對(duì)較小，這一點(diǎn)在考慮鋼混結(jié)合面接觸的有限元分析中也得到了驗(yàn)證。因此，采用上述的貼片方式，測(cè)得的雖是綜合作用下的軸向應(yīng)變，卻能在很大程度上反映剪力釘豎向剪力和橫向剪力的分布規(guī)律。至于剪力釘剪力的具體數(shù)值卻是無(wú)法得到。圖2.3.6.1給出了剪力釘貼片布置圖。圖中STH編號(hào)代表側(cè)面貼片，STV編號(hào)表示上表面貼片。圖2.3.6.1邊跨剪力釘貼片布置圖圖2.3.6.2～圖2.3.6.3分別給出了邊跨側(cè)剪力釘?shù)呢Q向剪力和橫向剪力在橫向分布趨勢(shì)。圖2.3.6.2邊跨剪力釘豎向剪力橫向分布趨勢(shì)圖2.3.6.3邊跨剪力釘橫向剪力橫向分布趨勢(shì)圖2.3.6.4-圖2.3.6.5分別給出了邊跨側(cè)剪力釘?shù)呢Q向剪力和橫向剪力在豎向的分布規(guī)律。圖2.3.6.4邊跨剪力釘豎向剪力豎向分布趨勢(shì)（STV07～STV11）圖2.3.6.5邊跨剪力釘橫向剪力豎向分布