马鞍山长江大桥右汊斜拉桥主桥拱形塔1∶10整体模型试验
2017-09-18
本课题结合马鞍山长江公路大桥右汊斜拉桥的特点，综合考虑在拱塔结构设计理论和施工监控的关键技术难题，在国内外首次开展拱塔结构整体模型试验研究。研究成果为马鞍山长江公路大桥结构优化设计与安全施工提供重要的科学依据和技术保障。
1 工程概况
1.1 项目概况
马鞍山长江大桥右汊斜拉桥为三塔半椭圆形拱塔斜拉桥，为桥梁造型赋予了创新理念，结构新颖、简洁美观、清新明快。工程范围内K14+120～K14+880段为右汊主桥斜拉桥，主桥跨径布置为（38+82+2×260+82+38）m，全长760m，为三塔六跨的双索面半漂浮体系斜拉桥。
2 拱塔模型的设计
根据模型试验研究目的，综合考虑试验内容、模型材料、制作精度和试验场地基础等条件，拟采用与实际结构相同的材料（混凝土和钢材）进行模型制作。根据实验理论及实际桥梁的对称性，试验模型依据下列原则进行设计：模型和实桥要几何相似、边界条件相似、应变相似、对应截面刚度相似等。模型按1∶10的几何缩尺进行设计、且根据结构与受力的对称原理设计。拱塔整体模型设计包括拱塔结构模型设计和拱塔加载系统设计。拱塔结构模型设计包括模型几何物理特性计算、模型施工图设计等；拱塔加载系统设计包括加载位置、加载设备、加载结构、加载方式的设计。
3 模型制作重难点施工、测试系统、加载方法
3.1 模型的制作重难点控制
本次桥梁实体模型制作重难点施工：拱塔模型模板精度加工及线型控制、拱塔斜拉索准确定位控制、拱塔混凝土施工控制、拱塔预应力施工控制、拱塔整体受力系统测试监控，如图1，图2所示。
3.2 模型的测试系统
数据采集系统由三个部分组成：传感器部分、数据采集仪部分和计算机（控制与分析器）部分。传感器部分包括前面所提到的各种电测传感器；数据采集仪部分包括：与各种传感器相对应的接线模块和多路开关，主机，储存器，其它辅助部件；计算机部分包括：主机、显示器、存储器、打印机、绘图仪和键盘等，HY-65B3000B静态应变传感器的数据采集。
3.3 测试仪器及加载设备
试验测试仪器和加载设备主要包括：（1）测试仪器。无线数码静态应变传感器、无线数据收发器、静态数据采集软件、压力传感器、综合测试仪、索力测试仪、电阻应变片、日本T303数据采集系统、瑞士徕卡全站仪TC2002、瑞士威特精密水准仪N3、瑞士徕卡反射小棱镜GMP111、瑞士徕卡反射片、钢水准尺、位移计、裂缝观测仪、数字温度仪、数码照相机、笔记本电脑等。（2）加载设备。千斤顶、扭矩扳手等。
4 模型试验的工况与内容
4.1 试验工况
主要加载系统：恒载补偿、横梁支座反力、塔柱横向预应力、横梁预应力、斜拉索索力。
马鞍山长江大桥右汊斜拉桥拱塔结构模型试验为期30天，共进行了9个试验工况，分别采集了各工况下的斜拉索索力、混凝土表面应变、钢筋应变、索塔变形及裂缝观测等重要数据。集中分析了试验工况5（施工阶段最大悬臂阶段）、工况6（施工阶段二次调索阶段）、工况7（正常使用极限状态）、工况8（承载能力极限状态）及工况9（1.2倍承载能力极限状态）的测试结果，包括斜拉索索力测试值、混凝土表面应变测试值、钢筋应变测试值、索塔变形及裂缝观测结果。
4.2 实验内容
在模型试验中，主要是对拱塔结构关键部位进行应力测试和变形观测。试验测试内容主要有以下几点。
（1）索塔关键截面的纵向受力钢筋应变测量，在施工的过程中埋设钢筋应变片。（2）索塔关键截面的混凝土应变，在混凝土表面粘贴无线应变计。（3）索塔关键部位的变形，在其表面布设全站仪棱镜观测点和千分表以便测量。（4）索力测试，张拉前对千斤顶进行标定，张拉过程中借助千斤顶的油压表来控制，同时利用穿心式压力传感器和索力测试仪进行索力测试和校核。（5）裂缝观测在混凝土的外表面，用裂缝观测仪和放大镜观测每级荷载下有无裂缝展开，以及各工况下的裂缝分布和宽度，并绘出裂缝分布图。
5 模型试验结果分析与结论
本模型进行了各种工况下的斜拉桥全桥整体受力性能的试验，明确了新型体系预应力混凝土部分斜拉桥的整体受力性能，对该类型拱塔桥梁的设计和施工提供了具体的实验数据，也对该类型部分斜拉桥进行深入理论分析研究具有重要的意义。在试验过程中得出以下结论。
（1）部分斜拉桥实体模型的设计和施工是一道重要的工序，严格按照比例要求制作，可以保证结构受力和实际桥梁具有可比性。（2）部分斜拉桥拱塔模型试验应注意材料的选用和加载控制。（3）部分斜拉桥拱塔模型试验加载系统的安装、定位、载重、加载点、观测点、需要在试验前明确。（4）部分斜拉桥拱塔模型试验的测点和测试工况应根据桥梁受力的具体情况确定。（5）塔体混凝土和钢筋整体应变不大，距离塔顶端1/3范围内混凝土出现少量竖向微应变，塔根部混凝土出现少量横向微应变，此两处为塔体混凝土薄弱区段，易诱发塔体局部混凝土开裂，建议在施工过程中注意该区段混凝土的振捣密实和保护层厚度。（6）塔体顺桥向和横桥向精轧螺纹钢筋预应力约为对应区域斜拉索索力的四倍或者更高，该预应力的安全储备过大，在保证塔体不被拉裂的同时也将带来一定的负面效应，比如精轧螺纹钢锚固出口处的混凝土易被压碎等。建议在可能的情况下，合理降低精轧螺纹钢的预应力。
参考文献
[1] 马鞍山长江公路大桥工程可行性研究报告[R].
[2] 马鞍山长江公路大桥跨江主体工程施工设计图纸，第三册，右汊主桥.
