自锚式悬索与斜拉组合结构体系桥梁受力性能与安全评价

长安大学教授徐岳自锚式悬索与斜拉组合结构体系桥梁受力性能与安全评价2主要内容立项背景研究思路研究内容及结果分析主要研究成果成果应用与验证31、依托工程本项目研究以京杭运河常州市区段改线工程中的龙城大桥为工程依托。龙城大桥是常州清凉路跨运河大桥，主桥跨径组合为：72+114+30m，中跨采用悬索结构，主缆锚固于纵梁端部，另一端经过次塔后散成7根次缆锚固于主塔；主塔边跨设置5根斜拉背索，用以平衡主缆的拉力。是国内首座自锚式悬索与斜拉组合结构体系桥梁。立项背景4依托工程—立项背景52、桥型特点立项背景龙城大桥同时具有空间结构、柔性缆索体系、组合体系(包括自锚式悬索与斜拉力学体系组合、钢与混凝土不同材料组合及现浇与预制安装不同施工方法组合)等特点，是一座力求反映历史文化特色和现代化建设风貌的城市标志性建筑。63、主要问题立项背景设计、施工、使用及管理高度耦合人字形吊杆施力相干效应显著计算建模复杂，结果收敛困难施工及使用阶段结构安全性能7研究思路结构理论分析数值仿真分析结构模型试验受力性能与安全评价研究实桥施工监控成桥荷载试验应用验证成果8技术路线—研究思路调研与资料收集分析索缆体系张拉方案全桥结构模型设计模型试验方案制定专家审议模型试验选材模型试验研究材料性能试验构件加工制作传感器制作实桥应用及验证荷载试验更换斜拉索试验方案更换斜吊杆试验方案满载及偏载试验方案实桥监控结构受力性能与安全评价施工阶段安全评价使用阶段安全评价结构仿真分析结构缩尺比结构相似关系试验加载系统活载模拟系统模型加工制作模型结构安装模型结构预压测试仪器调试施工阶段受力性能使用阶段受力性能9研究内容及结果分析空间主缆倾斜吊索组合结构体系桥吊索张拉技术施工过程中结构力学行为分析运营阶段结构受力性能研究特殊状态下结构受力性能研究施工阶段结构风险识别与安全评价使用阶段结构风险识别与安全评价结构安全对策受力性能安全评价10主缆、斜拉索和斜吊杆采用索单元主梁和主塔采用空间梁单元主缆以模型实测得到的初始安装线形位置模拟分析方法理论与仿真分析（受力性能）11理论与仿真分析结果（受力性能）缆索体系张拉技术12345678910121112施工阶段斜吊索力变化曲线（kN）第1批第2批第3批第4批理论与仿真分析成果（受力性能）13施工阶段分缆力变化曲线（kN）理论与仿真分析成果（受力性能）1405001000150020002500123456789101112131415161718192021222324恒载索力张拉力成桥状态下斜吊索的恒载力与张拉力（kN）理论与仿真分析成果（受力性能）15模型试验—研究方法（受力性能）验证、校核设计和计算分析理论直接观测大桥施工、使用阶段的力学行为分析组合结构体系的形成过程试验目的16模型按1:20的几何缩尺进行设计模型全长10.8m，边跨3.6m，中跨5.7m，短跨1.5m主塔桥面上高度为1.85m，桥面宽2.0m模型试验—研究方法（受力性能）17杠杆加载系统就是将杠杆的一个作用点设置在主梁底下的槽道上（专为该试验进行设计和制作），另一个点设置在主梁的边腹板上，而杠杆的另一边加挂篮。杠杆加载系统的放大比设计为1：6杠杆加载系统（1：6）模型试验—研究方法（受力性能）18TDS-602数据采集仪可一次测量1000个点采用彩色LCD触摸屏各种图形可实时显示VisualLOGTDS-7130数据处理系统测点数据直接存储于计算机，可编制换算公式现场测试模型试验—研究方法（受力性能）19试验研究内容施工阶段模型试验调整斜吊杆力试验单根吊杆受力试验使用阶段模型试验更换斜拉索模型试验更换斜吊杆模型试验试验测试于2006年6月20日开始，共进行两次试验（总计223个工况，约8.2万个数据）模型试验—研究方法（受力性能）20施工阶段模型试验结果0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00100.00123456789101112131415161718192021222324工况位移（mm）设计换算值模型计算值北侧实测值南侧实测值11＃索夹z方向位移模型试验研究结果（受力性能）211、主缆X方向位移（成桥）2、主缆Y方向位移（成桥）3、主缆Z方向位移（成桥）工况24-10-5051015202530散索套索夹1索夹3索夹5索夹7索夹9索夹11索夹号x方向位移设计换算值北侧实测值南侧实测值模型计算值工况24-90-80-70-60-50-40-30-20-10010散索套索夹1索夹3索夹5索夹7索夹9索夹11索夹号y方向位移设计换算值北侧实测值南侧实测值模型计算值工况24-20020406080100散索套索夹1索夹3索夹5索夹7索夹9索夹11索夹号z方向位移设计换算值北侧实测值南侧实测值模型计算值123模型试验研究结果（受力性能）22根据试验结果与理论分析可知：施工阶段斜拉索力模型计算值与设计换算值变化规律一致，模型计算值与设计换算值吻合较好。模型试验研究结果（受力性能）工况2402000400060008000100001200014000C1C2C3C4C5斜拉索编号斜拉索力(N)设计换算值模型计算值北侧实测值南侧实测值斜拉索力（成桥）23更换斜拉索模型试验结果成桥状态02000400060008000100001200014000C1C2C3C4C5斜拉索号斜拉索索力(N)设计换算值模型计算值北侧试验值南侧试验值换3号斜拉索02000400060008000100001200014000C1C2C3C4C5斜拉索号斜拉索索力（N）设计换算值模型计算值北侧实测值南侧实测值换4号斜拉索0200040006000800010000120001400016000C1C2C3C4C5斜拉索号斜拉索索力（N）设计换算值模型计算值北侧实测值南侧实测值成桥状态断C3斜拉索断C4斜拉索试验结果表明，断C3(或C4)斜拉索后，斜拉索索力发生明显的索力重分布现象，分布规律为C3(或C4)斜拉索邻近斜拉索索力值增加较大模型试验研究结果（受力性能）24更换斜吊杆模型试验结果换7号索夹对应斜吊杆05001000150020002500H1H2H3H4H5H6H7H8H9H10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H20H21H22H23H24斜吊杆号斜吊杆力（N）设计换算值模型计算值北侧实测值南侧实测值成桥状态0200400600800100012001400160018002000H1H2H3H4H5H6H7H8H9H10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H20H21H22H23H24斜吊杆号斜吊杆力(N)设计换算值模型计算值北侧实测值南侧实测值成桥状态斜吊杆力断H13、H14斜吊杆力试验结果表明，在断H13、H14斜吊杆的力后，斜吊杆力发生明显的吊杆力的重分布现象，分布规律为H13、H14斜吊杆邻近斜吊杆力值增加较大，远离H13、H14斜吊杆的斜吊杆力值变化不明显模型试验研究结果（受力性能）25项目SSTSJ1SJ3SJ5SJ7SJ9SJ11北侧实测值成桥值2.8046.9070.1080.4087.3093.0093.20断吊杆2.8046.9070.1080.4085.3093.0093.20差值0.000.000.000.00-2.000.000.00南侧实测值成桥值-0.3041.7061.3081.9088.6095.2089.70断吊杆-0.3041.7061.3081.9086.7095.3089.70差值0.000.000.000.00-1.900.100.00在断H13、H14斜吊杆的力后，模型实测值的最大变化量为2mm（方向向上），发生在7#索夹处，主要是由于该处斜吊杆力被卸掉引起的。散索套及其余索夹Z方向位移的模型实测值基本没有变化模型试验研究结果（受力性能）26调整斜吊杆力试验结果调整顺序为：两边斜吊杆→中间斜吊杆→两边斜吊杆02004006008001000120014001600H1H2H3H4H5H6H7H8H9H10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H20H21H22H23H24吊杆编号吊杆力（N)设计换算值北侧试验值南侧试验值试验结果表明，调整各斜吊杆的力值后，能够实现15根斜吊杆的分布形式与设计值相近，其余各斜吊杆与设计值相差较大试验过程发现，调整时间长，难度大调整后斜吊杆力分布模型试验研究结果（受力性能）27单根吊杆受力试验结果卸载各索夹东侧吊杆力，按两吊杆力的合力值张拉西侧斜吊杆----只允许同一索夹下单根斜吊杆受力张拉单根斜吊杆可以实现设计要求的索夹合力的分布方式，设计换算值与模型实测值吻合很好，设计换算值与模型实测值的偏差为7％左右试验过程发现，调整时间短，难度小工况6050010001500200025003000SJ1SJ2SJ3SJ4SJ5SJ6SJ7SJ8SJ9SJ10SJ11SJ12索夹编号吊杆合力（N）设计换算值北侧试验值南侧试验值单根斜吊杆受力（合力）模型试验研究结果（受力性能）28使用阶段模型试验结果主要研究在活载作用下组合结构体系桥梁的工作性能满载试验（主跨满载、全桥满载）偏载试验（主跨偏载、全桥偏载）试验过程及结果分析从略模型试验研究结果（受力性能）29主要研究内容施工阶段安全评价使用阶段安全评价结构安全对策结构安全评价及安全对策研究30施工阶段—研究方法（安全评价）实桥施工风险识别结构不确定性分析施工期间安全评价采用层次分析法基于BP网络的失效概率的估计方法31施工阶段—研究结果（安全评价）施工期结构风险结构风险主要是主梁破坏失效风险对于全桥施工风险来说，吊索和斜拉索索力分布（散索套及索夹滑移等因素引起）、钢铰局部强度不足、支架失稳、撑脚和软牵引失效等为主要风险因素引起主梁破坏失效的主要风险因素是支架失稳、吊索和斜拉索索力分布（散索套及索夹滑移等因素引起）、材料弹性模量、断面尺寸等施工期安全评价确定0.0002为龙城大桥的的目标失效概率32使用阶段—研究方法（安全评价）使用阶段风险分析使用阶段安全评价基于灰色变权聚类法索夹滑移散索套滑移斜拉索及斜吊杆力主缆线形、损伤其他方面33使用阶段—研究结果（安全评价）0200040006000800010000120000.000.020.050.100.200.300.50散索套滑移量(m)分缆力(kN)MC1MC2MC3MC4MC5MC6MC7分缆力随散索套滑移量的变化图34安全评价安全对策自锚式悬索与斜拉组合结构体系桥梁应从设计、施工、管理、养护等方面入手，从源头上对桥梁风险进行控制。风险控制基本原则为：预防整治相结合，以预防为主。结构安全对策包括施工阶段和使用阶段•加强桥梁结构各个环节存在的风险因素控制•严格控制散索套滑移量•重视结构防腐•加强运营阶段结构的定期检查余见研究成果与建议35主要研究成果提出了自锚式悬索与斜拉组合结构体系桥梁空间缆索合理成桥状态和合理施工状态的分析方法提出了空间主缆倾斜吊索自锚式悬索与斜拉组合体系桥吊索快速张拉技术结构分析方法提出了适合于多形式组合结构、多材料的组合结构体系桥梁模型试验技术试验与测试技术36主要研究成果通过模型试验，研究了组合结构体系的形成过程，分析并总结了施工过程结构的受力性能和空间缆索线形变化规律进行了多种施工（吊索张拉）方法模型试验，分析了结构体系力的传递特性，总结了各施工方法的优劣性基于模型试验结果，提出了关于设计、施工和管理方面的建议，并得到采纳，成果应用于实体工程施工阶段受力性能37主要研究成果更换斜拉索和更换斜吊杆受力性能通过更换斜拉索和斜吊杆模型试验，分析总结了组合结构体系桥梁各部分构件在换索（斜拉索和斜吊索）中的受力性能及几何变化规律，并针对换索中出现的问题提出了合理化建议，为将来实桥换索工程的实施提供了技术支撑使用阶段受力性能进行了满载和偏载作用模型试验，得到了各构件的受力特性及索缆线形变化规律38主要研究成果结构安全评价及对策提出了基于层次分析法的自锚式悬索与斜拉