季德钧

(青海省高等级公路建设管理局,青海西宁 810000)



大跨叠合梁斜拉桥健康监测力学分析∗

季德钧

(青海省高等级公路建设管理局,青海西宁 810000)

摘要:哇加滩黄河特大桥采用叠合梁斜拉桥结构。文中建立有限元模型对荷载作用下该桥梁结构响应、动力特性及地震响应进行计算分析,得到了桥梁结构在荷载作用下的危险点和结构监测重点,为哇加滩黄河特大桥健康监测系统测点布置提供数据和参考。

关键词:桥梁;斜拉桥;有限元计算;地震响应;结构健康监测

桥梁生命周期中可能遭遇的危险源于多方面,需根据桥梁设计技术文件和所处环境进行危险源识别,分析桥梁健康监测系统生命周期内可能对结构安全构成威胁的因素。进行桥梁结构健康监测系统设计时,在确定传感器布置方案前应进行结构分析,掌握桥梁结构的整体力学行为,明确结构受力的关键构件和位置,从而指导传感器布设。该文对哇加滩黄河特大桥进行静、动力及地震响应分析,以掌握结构受力规律,并考查结构受力关键部位,为科学合理地布置测点提供参考。

1 工程概况

哇加滩黄河特大桥是青海省内最大的双塔双索面斜拉桥,是中国国家高速公路网张汶(张掖—汶川)高速公路牙什尕至同仁段的控制性工程之一。设计荷载为公路-Ⅰ级,计算行车速度80 km/h,双向四车道。桥址处属高原凉温干旱大陆性气候,气温垂直分布差异明显,日温度差较大(历史最高、最低温度分别为34.5、-31.7℃),太阳辐射强,日照时间长。主桥全长1 000 m,跨径组合为(104+116 +560+116+104)m,为双塔双索面钢-混叠合梁斜拉桥;主塔总高度(塔座顶至塔顶)分别为186.2、193.6 m;斜拉索呈扇形布置,88对斜拉索均采用低松弛镀锌高强钢丝,在主梁上采用锚拉板构造锚固,在索塔上采用钢锚梁构造锚固;梁段为“上”字形,边主梁、横梁、小纵梁通过摩擦型高强度螺栓连接成钢梁段,架设预制桥面板,现浇砼湿接缝,通过焊接于钢梁顶面的抗剪栓钉组成组合梁体系;主梁在过渡墩、辅助墩墩顶及主塔下横梁顶处设置纵向活动、竖向刚性的球形支座。

2 斜拉桥危险性分析

采用数值计算进行损伤敏感性、最不利状态加载等方面的结构分析,可定量了解结构状态和各种危险性及其影响,把握监测和检测的重点,确定监测的内容和精度要求,为测点布置和优化提供依据,同时结合实测数据可进一步通过计算分析进行结构状态评估。该文主要计算内容包括运营阶段主梁应力,拉索应力及塔、梁位移等。

2.1 数值计算模型

斜拉索采用杆单元,其弹性模量按Ernst公式修正;主梁和索塔采用线性有限应变梁单元;成桥状态自振特性分析时二期恒载采用质量单元模拟;索塔底部固结,边墩、辅助墩处及塔梁交接处均为活动铰支座,采用单根杆单元模拟竖向支承作用。坐标系原点选在砼梁梁端,沿桥梁纵向为+X轴,以竖向向上为+Y轴,横向为Z轴。有限元模型见图1。

2.2 静力分析

对结构进行静力计算和分析,联合考虑恒载与活载作用下的结构响应。图2～4为恒载与活载组合作用下索、梁塔应力包络图,图5～7为活载作用下梁、塔位移包络图。

根据计算分析结果,主梁中跨跨中位置处出现最大竖向挠度,各支跨跨中也是挠度变化较大处,而索塔最大水平位移出现在塔顶位置处,这些位置不仅是结构位移控制的关键点,而且其响应幅值是监测仪器的选型控制参数;在荷载作用下,索力应力分布较均匀,可选择应力水平较高和变化幅值大的尾索和最短索进行监测;主梁在索塔处、辅助墩处及边跨跨中处应力较大,这些部位可初步确定为结构应力的关键控制点。

图2 斜拉索应力包络

图3 主梁上缘应力包络

图4 主梁下缘应力包络

2.3 动力特性分析

桥梁动力参数能体现桥梁结构的整体特性。该桥结构重要自振特性见表1。

图5 主梁竖向位移包络

图6 20#塔纵向位移包络

图7 21#塔纵向位移包络

表1 结构自振特性及描述

由表1可知:结构第1阶振型为纵漂,可布置一个顺桥向加速度测点;第2阶振型为对称侧弯,可在主梁跨中横向振动幅值最大处布设一个横向加速度测点;考虑到后面几阶为竖向振动和扭转,为监测多阶竖向振型并避免振动节点,在主跨四分点处均布设一个竖向加速度测点,在中跨跨中上下游各布设一个竖向加速度测点。

2.4 地震响应行波效应分析

地震时由于地面测点接收到的地震波可能经过不同的路径、地形和地质条件,故反映到地表上的振动不可能完全相同。该桥主塔相距较远,与震源的距离不同,接受到的地震波也势必存在相位差。采用大质量法分析桥梁在地震波激励下的响应,重点分析地震行波效应对结构的影响。

该桥所处地区设计基本地震加速度为0.1g,设防烈度为Ⅶ度,根据地质勘察资料,该桥场地类别为Ⅲ类,据此采用经过调整的EL-Centro波作为纵向(顺桥面方向)输入地震波,将原来的加速度峰值341.7 gal调整为100 gal。桥梁桩基直接位于基岩上,地震波速为2 000 m/s,两主塔之间的跨径为560 m,地震波经过两主塔的时间差为0.28 s。在考虑行波效应影响的非一致激励时,仅考虑纵向地震作用计算行波效应的结构响应,并与一致激励的工况进行对比分析。主梁跨中竖向位移及21#塔塔顶纵向位移分别见图8、图9。

图8 跨中竖向位移

图9 21#塔塔顶纵向位移

考虑行波效应进行地震响应计算,20#塔塔顶纵向位移峰值为43.4 cm;主梁跨中竖向位移峰值为37.7 cm;21#塔塔顶的纵向位移峰值为49.4 cm。一致激励时,20#塔塔顶的位移峰值为41.1 cm;主梁跨中竖向位移峰值为35.8 cm;21#塔塔顶的位移峰值为52.4 cm。对比分析结果可知,考虑行波效应时结构的位移时程响应与一致地面激励作用下位移响应相差较小,说明该桥的地震行波效应不明显,其监测系统的地震测点可考虑只设置一处。

3 结论

为了准确评判桥梁结构状态和安全状况,结构健康监测系统的测点不仅需布置在能体现结构特性的响应关键点上,而且需要合理地布置测点拾取完备的结构响应信息。由于需要考虑测点数量与仪器设备费用投入的矛盾,为了在尽可能少的传感器布置情况下获取全面、准确的结构参数信息,需对结构进行静、动力分析,了解结构的受力危险点和动载效应特性,指导传感器的布置。文中通过结构多类响应计算分析,得到以下结论:1)主梁各跨跨中及主塔塔顶均是结构位移控制的关键点,也决定监测仪器参数的选择;2)索力监测可选择对最长、最短索进行监测;3)主梁应力监测截面可选择在索塔处、辅助墩处及边跨跨中处;4)测试结构动力特性的加速度测点,可根据选择的阶次布置在振型幅值最大处;5)该桥在地震作用下的行波效应不明显,可只设置一处地震观测点。

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收稿日期:2015-11-25

基金项目:∗交通运输部建设科技项目(2014318363230)

中图分类号:U446.2

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0200-03