大跨度斜拉桥主梁模型试验技术研究.pdf

第4 1卷第10 期2023年10 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)10-0 12 4-10市放技木Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.10Oct.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.10.124大跨度斜拉桥主梁模型试验技术研究窦宝宏,张文涛2*(1.陕西路桥集团有限公司，陕西西安7 10 0 7 5；2.长安大学公路学院，陕西西安7 10 0 6 4)摘要：大跨度斜拉桥主梁模型试验技术是对主梁进行结构分析和性能测试的有效手段，可以通过搭建试验模型来模拟实际桥梁主梁的受力情况，以获得大量有价值的试验数据，并为结构的设计和施工提供参考，对于保证大跨度斜拉桥的安全性和长期可靠性具有重要意义。通过对静力模型试验、动力模型试验、疲劳模型试验和混合模型试验进行研究分析，并结合相关案例，介绍了主梁模型试验技术在大跨度斜拉桥工程中的具体应用，总结和回顾了一些创新的桥梁试验研究，为未来大跨度斜拉桥的模型试验技术研究工作提供了参考和新思路。关键词：斜拉桥；主梁模型试验技术；静力模型试验；动力模型试验；疲劳模型试验；混合模型试验中图分类号：U448.27Research on Main Girder Model Test Technology of Long-span(1.Shanxi Road&Bridge Group Co.,Ltd.,Xian 710075,China;2.School of Highway,Changan University,Xian 710064,China)Abstract:The main girder model test technology of long-span cable-stayed bridge is an effective means for structuralanalysis and performance test of the main girder.The test model can be built to simulate the stress situation of theactual main girder of the bridges to obtain a large number of valuable test data and provide references for the designand construction of the structure.This is significant for ensuring the safety and long-term reliability of the bridge.The static model test,dynamic model test,fatigue model test and mixed model test are studied and analyzed.Com-bined with cases,the specific application of main girder model test technology in long-span cable-stayed bridge isintroduced.Some innovative bridge test studies are summarized and reviewed,which provide reference and newideas for relevant research in future.Key words:cable-stayed bridge;main girder model test technology;static model test;dynamic model test;fatiguemodel test;mixing model test文献标志码：ACable-stayed BridgeDou Baohong,Zhang Wentao*桥梁模型试验通过建立桥梁的缩小模型进行试验，以更低的成本理清桥梁结构的工作原理、力学特性和受力性能，并为实际桥梁的设计和加固提供实测依据1。相比于原桥试验,桥梁模型试验可以更加方便、经济地进行参数控制，降低试验成本，同时可以让试验者更加集中、准确地观察试验数据，更好地理解桥梁结构特性。此外,在桥梁模型试验中,还可以预埋传感器等测量装置以获取更加详尽的数收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 3基金项目：陕西省秦创原“科学家十工程师”队伍建设项目（2 0 2 2 KXJ-036)作者简介：窦宝宏，男，工程师，学士，主要从事桥梁施工技术研究工作。通讯作者：张文涛，男，在读硕士研究生，主要研究方向为钢-混组合结构。引文格式：窦宝宏，张文涛.大跨度斜拉桥主梁模型试验技术研究 .市政技术，2 0 2 3，4 1（10)：12 4-13 3.(DOUBH,ZHANGWT.Researchonmaingirder model test technology of long-span cable-stayed bridge.Journal of municipal technology,2023,41(10):124-133.)第10 期据,提高试验数据的精度和可靠性 2 。近年来，大跨度斜拉桥备受关注，然而由于其具有大跨度、大荷载和结构复杂等特点，该类桥梁的设计和施工存在着诸多难题。主梁是大跨度斜拉桥最重要的构件，其受力情况直接关系到斜拉桥的稳定性和安全性 3 。为了更好地理解和掌握斜拉桥主梁的受力情况，通过模型试验研究主梁的受力情况，从而为实际斜拉桥的设计和加固提供实测数据和依据。在大跨度斜拉桥的设计和施工过程中，可以利用主梁模型试验技术验证和优化设计方案，确定主梁施工工艺以及选择正确工具。此外，主梁模型试验技术还可用于评估主梁在风荷载、地震荷载、温度荷载等特殊环境下的响应特性。因此，主梁模型试验技术对提高斜拉桥设计与施工的安全性和可靠性具有积极意义。主梁模型试验技术的发展历程可以追溯到2 0 世纪7 0 年代,至今已经取得了显著的进展 4 。但随着大跨度斜拉桥的不断发展、结构尺寸的增加、试验规模的扩大、试验成本和时间的增加，为主梁模型试验技术的研究和应用带来了挑战。因此，主梁模型试验技术在大跨度斜拉桥中的应用还需要进一步完善和创新，以应对日益复杂的桥梁结构和变化多样的试验需求。基于此，笔者对静力模型试验、动力模型试验、疲劳模型试验和混合模型试验进行分析，试验结果揭示桥梁结构的受力机制、破坏机理和承载能力，为类似桥梁设计、施工和运营提供参考和指导。1静力模型试验考虑到主梁在整个桥梁结构中起到关键作用，大多数试验采用缩小比例或截取局部截面的方式对主梁进行模拟加载，可以得到桥梁在实际荷载作用下的变形情况和内力分布，以评估桥梁的结构强度和稳定性，进而指导工程实践。静力模型试验的优点在于可以掌握桥梁荷载与响应之间的基础规律，进而为桥梁结构的优化设计、加强改造等提供参考依据。在实践中，静力模型试验已经得到了广泛应用，并为桥梁工程的安全性与可靠性保障做出了重要贡献。1.1主梁钢-混结合段模型试验主梁钢-混结合段是大跨度斜拉桥的重要组成部分，其强度和受力性能关系到整个斜拉桥的稳定性和安全性 5。模型试验可以对主梁钢-混结合段的受力性能进行评估，包括承载能力、位移和挠度等指标，还可以为结构的设计和施工提供参考，通过分析试验结果对结构进行优化和完善，可减少结构的窦宝宏等：大跨度斜拉桥主梁模型试验技术研究125失效风险。部分学者对主梁钢-混结合段模型试验进行了相关研究,张仲先等 6 通过南昌英雄大桥主梁钢-混结合段模型试验，研究了其传力机理和应力分布，发现钢板与混凝土的结合方式对传力机理有一定影响；卫星等 7 设计了梁段模型试验，研究了不同荷载组合的模型试验对主梁受力性能的影响；李小珍等 8 按照相似原则，设计了厦门马新大桥主梁钢-混结合段的缩尺试验模型，测试了模型控制断面和主要构件的应力、变形随加载历程的变化规律；姚亚东等 9 以雨江特大桥钢-混结合段为研究对象，设计了缩尺模型试验，探究了不同工况下主梁钢-混结合段的正应力分布和承载能力；彭晶蓉等 10 根据相似理论对依托工程进行了1:4 0 的全桥缩尺模型试验;唐细彪等 对采用部分填充混凝土后面承压板式构造的主梁钢-混结合段，制作了1:4 的缩尺模型，并进行加载试验（如图1所示）;刘新华等 12 为验证STC轻型组合扁平钢箱梁结构的可靠性和适应性，进行了荷载足尺模型试验研究；韩建秋等 13 以银洲湖大桥为例，设计制作了有无钢格室顶板钢-混结合段的局部钢格室模型，进行了轴向加载试验，分析了钢格室破坏形态、界面滑移以及应力传递规律；韦锋等 14 以某混合梁斜拉桥为背景，通过实桥应变测试，研究了其主梁钢-混结合段在施工以及运营过程中的应力分布情况，探究了其受力性能和纵向应力传递的可靠性（如图2 所示）；邹世华等 15 通过制作大比例斜拉桥主梁钢-混结合段模型进行静载试验，考虑混凝土徐变效应，分析了各工况下应力分布和钢-混结合段传力特性；杨仕力等 16 以双箱混合梁斜拉桥钢-混结合段为例，通过模型试验考察了其在不同工况下的力学性能（如图3、4 所示）。图1主梁钢-混结合段模型试验加载现场图Fig.1 The scene diagram of the model test of loading of steel-concrete joint section of the main girder市放技木126Journal of Municipal Technology第4 1卷、混凝土梁7.5-钢-混结合段7.03钢梁6.5荷载施加点图2 主梁钢-混结合段构造图图3 原桥主梁钢-混结合段有限元模型（m）Fig.2 Structural details of steel-concrete joint section of the mainFig.3 Finite element model of steel-concrete joint section of thegirder2600钢梁2.000572274663T1、2 号加载梁A千斤顶109S40mm厚加载板3号加载梁00Z4号加载梁AFig.4 Elevation drawing of the model test of steel-concrete joint section of the main girder1.2索梁锚固结构模型试验大跨度斜拉桥索梁锚固区是整座桥梁中最重要的安全部位，其工作状态直接影响桥梁的承载能力和稳定性 17 。因此，对斜拉桥索梁锚固区进行模型试验可以评估其性能，为优化设计和施工工艺提供科学依据，以保证工程质量和安全可靠性。国内外众多学者对索梁锚固结构模型试验进行了相关研究，张清华等 18-19 从理论模型和传力机理两方面，采用理论研究与模型试验相结合的方法对锚箱式索梁锚固结构受力特性进行了研究；田仲初等 2 0 为研究某三塔斜拉桥索塔锚固区局部受力特性，选择索塔锚固区的代表性节段进行了足尺模型试验，并详细阐述了试验内容、步骤和方法；陈彦江等 2 1 对某斜拉桥锚拉板式索梁锚固区进行了足尺模型静力加载试验，研究其在设计荷载下的应力分布和传力机理，得到了不同荷载等级下各受力区约束端混凝土横梁钢筋main girder of the original bridge2.7883000钢一混结合段混凝土梁66366670670BCD一Eo.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0BD图4 主梁钢-混结合段模型试验立面图域的应力分布情况；蒲黔辉等 2 2 针对甬江特大桥的双挑式索梁钢锚箱结构，采用仿真分析和模型试验相结合的方法，探究了该新型索梁锚固结构的传力机理和应力分布（如图5所示)；马雅林等 2 3-2 4 1 为研究金沙江大桥采用的新型梁顶混凝土锚固结构的受力特点，通过缩尺模型试验得到了不同荷载下的应力分布和开裂特征。1.3其他模型试验部分学者对其他模型试验进行了相关研究,卫军等 2 5 通过节段模型试验，对短悬臂斜拉桥主梁正应力分布进行了研究，并且进行了荷载横向对称变位试验；刘国坤等 2 6 设计并制作了1:4 的节段模型，并进行了强受扭损伤模拟试验；张二华等 2 7 为优化曲线斜拉桥主梁扭矩分布，在考虑其力学特点的基础上，以某混凝土主梁曲线斜拉桥为例，进行了桥梁模型试验；颜东煌等 2 8 采用缩尺模型对PC斜拉2.400台座786835EFH1EO0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0EFG支墩（破坏工况）地面1379加载钢绞线体内预应力H工第10 期锚垫板顶板加劲助附属着地板图5双挑式索梁锚固结构试验模型图Fig.5 Test model of double cantilever cable-girder anchoragestructure桥主梁进行了模型试验，研究超重交通荷载导致的主梁受损情况，以及开裂主梁仅做裂缝灌浆处理结构受力性能是否改变；马亚飞等 2 9 通过建立某桥缩尺比为1:4 0 的节段模型，探究了构件损伤对斜拉桥结构静力性能的影响（如图6、7 所示）。横隔肋主梁连接钢板钢构件2钢构件1螺栓开孔图6 钢箱梁纵向连接示意图Fig.6 Longitudinal connection of steel box girder花篮螺丝半羊眼螺丝加载磁码配重码支承端边端Fig.7 The loading device diagram of section model test窦宝宏等：大跨度斜拉桥主梁模型试验技术研究承压板2动力模型试验桥梁在使用过程中受地震、车辆、风浪等动力作用会产生振动，由于动力荷载特性和结构动力性能的复杂性，仅以理论分析的手段难以对动荷载作加劲助用下的性能、响应过程以及破坏机理进行完全的把附属着地板握，因此还需采用动力模型试验的方法来研究。动力模型试验的主要优点包括：可以在小尺寸模型上开边腹板展试验，使得试验前期成本大幅降低；可以通过试底板验结果准确预测实际结构的响应性能，从而提高斜拉桥结构的安全性和可靠性等性能。同时结合理论计算和实际情况，能够较为准确地反映实际结构在动荷载作用下的响应情况，为斜拉桥的设计、评估和维护提供有力的技术手段。2.1主梁涡振模型试验部分学者对主梁涡振模型试验进行了相关研究,王骑等 3 0 1以粉房湾长江大桥为研究对象,对其在强风下主梁的颤振稳定性和在常遇风速下的涡激振动性能进行了研究；何晗欣等 3 1 针对港珠澳大桥江海直达船航道桥的气动问题，对主梁节段模型横隔肋进行了涡激振动试验，研究结果为采用中央开槽箱形断面的斜拉桥设计提供了参考；李欢等 3 2 以某三塔斜拉桥为背景，采用节段模型测试施工状态主梁涡振性能，试验发现在设计风速范围内主梁存在明显的竖向涡激共振现象;李浩 3 3 以龙穴南特大桥工程为背景，利用理论公式、节段模型风洞试验等方式，开展了钝体截面铁路混合梁斜拉桥涡振性能研究（如图8 所示）；李春光等 3 4 通过节段模型风洞侧振、侧压试验，获取了主梁在中央稳定板作用下的涡振性能和压力时程数据，并研究了边主梁涡振性能的影响因素（如图9所示）。带环螺丝反力墙不锈钢薄铁片钢丝绳钢主梁百分表DHDAS2013图7 节段模型试验加载装置示意图127塔墩梁固结端塔计算机桥墩图8 风洞试验模型Fig.8 Wind tunnel test model2.2主主梁抗风模型试验部分学者对主梁抗风模型试验进行了相关研市放技术128Journal of Municipal Technology第4 1卷3疲劳模型试验桥梁在长期疲劳荷载作用下会产生不同程度的疲劳破坏,极大地危害了桥梁的安全性。同时，不断增长的交通量也对现有以及新建桥梁的疲劳性能提出了更高的要求。大跨度斜拉桥主梁疲劳模型试验用于评估桥梁结构在重复荷载作用下潜在的疲劳损伤和寿命，其优势在于可以较为准确地评估斜拉桥主梁的疲劳性能,并预测其寿命。同时,斜拉图9主梁节段模型风洞试验现场图Fig.9 Wind tunnel test of the main girder section model究，刘志文等 3 5 利用风洞试验研究江顺大桥抗风性能问题，对该桥主梁进行了不同几何缩尺比的节段模型测振试验和涡振试验；何旭辉等 3 6 针对长江公铁大桥主梁在施工和运营阶段的抗风安全问题进行了研究(如图10 所示);何旭辉等 3 7 针对挑臂式钢箱梁斜拉桥在施工和运营阶段的抗风安全问题进行了节段模型风洞试验；曾加东等 3 8 以某斜拉桥为研究对象，通过节段模型试验等方法，探究了斜风作用下桥塔对主梁的干扰效应（如图11所示）。桥主梁疲劳模型试验技术具有成本低、效率高等优点，可以为实际结构疲劳性能的评估提供有力的技术支持。3.1主梁损伤模型试验部分学者对主梁损伤模型试验进行了相关研究,袁明等 3 9 进行了部分预应力混凝土(PPC)斜拉桥节段缩尺模型试验，该研究可以为斜拉桥在疲劳安全方面的设计和评估提供有参考；袁晟等 4 0 为探究斜拉桥主梁采用部分预应力设计的可行性和合理性，通过制作缩尺节段模型，开展了具有不同初始损伤及带裂缝工作状态下的疲劳试验（如图12、13所示）。长沙理工大学PPC斜拉桥模型疲劳试验抗风缆抗风缆图12 杠杆体系布置图图10 最大双悬臂状态的最不利工况抗风缆模型Fig.10 Wind-resistant cable model under the most unfavorableworking condition of the maximum double cantilever state图11气动刚性模型风洞试验现场图Fig.1l Wind tunnel test of the aerodynamic rigid modelFig.12 Lever system layout近塔端顶板梗胶梁肋150175200225250续上图350375400425450475500图13 主梁最大荷载下裂缝分布图（cm）Fig.13 Crack distribution under the maximum load of main girder接下图275300远塔端961325第10 期3.2索梁锚固结构模型试验部分学者对索梁锚固结构模型试验进行了相关研究，卫星等 4 1 为评估双拉板栓焊式梁端锚固结构的抗疲劳性能,采用1:2 缩尺模型,完成了该梁端锚固结构的疲劳试验研究；高建辉等 4 2 为确保索梁锚固结构在使用阶段的安全性，通过制作足尺模型并采用疲劳累积损伤等效方法，进行了足尺模型疲劳性能试验研究；么超逸等 4 3 采用模型试验对索梁钢锚箱在铁路荷载下的疲劳性能进行了研究,表明双挑式索梁钢锚箱具有良好的抗疲劳性能；王连华等 4 4 为研究上字形索梁锚固结构的疲劳性能,进行了锚拉板足尺模型疲劳试验，为该类型锚固结构的实际应用提供了可靠的理论支持（如图14 所示）。窦宝宏等：大跨度斜拉桥主梁模型试验技术研究129图15锚拉板疲劳试验现场图Fig.15 Anchor plate fatigue test锚拉筒固定横粱疲劳机作动器4大#前发板足尺疲劳试验支撑立柱加载横染混凝土底座图14 索梁锚固结构疲劳试验现场图Fig.14 Fatigue test of cable beam anchoring structure3.3锚拉板模型试验部分学者对锚拉板模型试验进行了相关研究，辛光涛等 4 5 为研究锚拉板式索梁锚固结构在疲劳荷载下的应力分布情况，通过足尺模型的常幅疲劳加载试验，得到随加载循环次数增加构件应力变化的情况；王会利等 4 6 以某斜拉桥工程为例，,对其锚拉板疲劳性能展开了理论分析与试验研究，结果表明该桥的索梁锚固结构在设计寿命期内不会发生疲劳开裂（如图15所示)；施洲等 4 7 针对新型铁路斜拉桥对接式无肋锚拉板，以应力等效准则设计、制备了足尺疲劳试验模型，并进行了疲劳试验；裴必达等 4 8 以乌江大桥为背景，参照国内外规范对锚拉板中的关键疲劳细节进行了理论分析，并对锚拉板开展了足尺模型疲劳试验（如图16 所示）。4混合模型试验主梁混合模型试验是指在一定的静态荷载和动态荷载的作用下，同时进行静力试验和动力试验，钢主梁铺拉筒TDS602应变采集仪锚固横图16 足尺疲劳试验模型Fig.16 Full-scale fatigue test model从而评估主梁的综合性能。主梁混合模型试验需要设计适当的试验荷载和荷载历程，同时使用多种传感器和数据处理方法进行数据采集和分析，并对试验数据进行综合评估。主梁混合模型试验能够充分评估主梁结构的多种性能,以提高试验数据的准确性和可信度。部分学者对混合模型试验进行了相关研究，曾永平等 4 9 基于整体式双锚拉板-锚箱复合式索梁锚固结构，制作足尺模型并进行了静力加载和动力疲劳试验；李小珍等 50 针对江津观音岩长江大桥的钢-混结合段，设计制作了1:2 大比例试验模型，并进行了相关研究；周阳等 51-52 设计制作了足尺试验模型,研究了钢-混结合段剪力连接件群的力学性能，铺拉板疲劳机作动器一百分表130进行了静力和疲劳加载试验，并测试了疲劳加载过程中钢-混结合段钢箱梁以及剪力钉的应力变化情况（如图17 所示）；胡玉柳 53 针对长门特大桥塔墩梁固结区受力特性，进行了缩尺比为1:5的塔墩梁固结区模型试验；施洲等 54 针对蝙鱼洲长江大桥主梁钢-混结合段进行了局部缩尺静力和疲劳模型试验，分析其应力、滑移开裂和疲劳性能（如图18 所示）。加载力固定台座试验模型段模型固定端模型加载端反力墙一图17 足尺试验模型加载示意图Fig.17 Loading of the full scale test model固定约束静载试验区域图18 蝙鱼洲长江大桥主梁钢-混结合段有限元模型（m）Fig.18 Finite element model of steel-concrete joint section of themain girder of Bianyuzhou Yangtze River Bridge5结论1)在静力模型试验中，通过分析主梁钢-混结合段和索梁锚固区等重要结构部位，并结合新型结构的构造特点，分析其破坏形态、传力机理、应力分布和承载能力等方面的特性，能够全面了解实际施工和运营阶段中斜拉桥的受力特性。2)在动力模型试验中,研究主梁的涡激振动性能和抗风安全问题，以提供施工和运营阶段的安全保障，这可以帮助评估斜拉桥在风荷载下的响应，以Journal of Municipal Technology混凝土段19.5对称约束面钢-混结合段2.0钢梁段承压板M八加载点F第4 1卷确保其在恶劣气候条件下的稳定性和可靠性。3)在疲劳模型试验中,通过分析索梁锚固区、锚拉板、预应力混凝土(PPC)主梁等新型结构的疲劳性能,验证这些结构在设计上的合理性,并研究其抗疲劳性能以及在疲劳荷载下的应力分布，可为斜拉桥结构的抗疲劳性能研究提供理论依据。目前桥梁模型试验技术正处于快速发展时期，呈现出跨越多个学科领域的交叉融合趋势，其是研究和推动桥梁工程新材料、新技术、新结构和新工艺发展的关键手段和依据，在桥梁结构理论研究和技术革新中不可或缺。模型试验为桥梁工程领域提供了精确可靠的科学依据，推动了桥梁结构技术的更新和发展。参考文献1韦建刚,吴庆雄,陈小佳，等.高等桥梁结构试验 M.北京：人民交通出版社,2 0 18:1-9.(WEI JG,WUQX,CHEN X J,et al.Advanced experiment of bridge structures M.Beijing:ChinaCommunications Press,2018:1-9.)【2 蒲黔辉，徐希堃,吴怡宁，等.桥梁结构试验技术2 0 2 0 年度研究进展 J.土木与环境工程学报（中英文）,2 0 2 1,4 3（Sup1)：1-1l.(PUQ H,XU X K,WU Y N,et al.State-of-the-art reviewof the technology in bridge structural test in 2020J.Journal ofcivil and environmental engineering(Chinese and English),2021,18.043(Sup1):1-11.)【3 中国公路学报编辑部.中国桥梁工程学术研究综述2021J.中国公路学报,2 0 2 1,3 4(2)：1-97.（Editorial Departmentof China Journal of Highway and Transport.Review on Chinasbridge engineering research:2021 J.China journal of highwayand transport,2021,34(2):1-97.)4 李国栋.桥梁结构试验与检测技术 M.北京：人民交通出版社,2 0 19:1-3.(LIG D.Bridge 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