何蘇林 孟凡森 何 榕

運(yùn)營(yíng)階段的大跨度斜拉橋,承受著日益增大的車輛荷載的作用,其結(jié)構(gòu)的健康識(shí)別及安全評(píng)價(jià)也日益重要。以往的橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能評(píng)價(jià)多依賴于靜載試驗(yàn),而由于靜載試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)需要中斷交通,且會(huì)產(chǎn)生一些不可恢復(fù)的損傷,對(duì)大跨度的斜拉橋使用也會(huì)造成一定的危害性,所以橋梁養(yǎng)管部門(mén)對(duì)這一項(xiàng)內(nèi)容是慎之又慎。利用橋梁的自振特性進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)使用性能的評(píng)價(jià)由于其可以彌補(bǔ)靜載試驗(yàn)的眾多缺陷,而成為國(guó)內(nèi)橋梁界專家研究的熱點(diǎn)。安徽省交通科學(xué)研究所在這方面也做了大量探索工作。其大體做法是根據(jù)成橋階段橋梁的狀況與其關(guān)鍵參數(shù)建立簡(jiǎn)化的大跨度斜橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算有限元模型,測(cè)取關(guān)鍵的基準(zhǔn)數(shù)據(jù),以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正。

1 計(jì)算模態(tài)分析理論

斜拉橋的有限元模擬應(yīng)針對(duì)不同的分析層次與分析目標(biāo)采取相應(yīng)的有限元建模策略。本文中的斜拉橋有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算模型是以結(jié)構(gòu)模型修正、健康監(jiān)測(cè)損傷預(yù)警與損傷識(shí)別為目標(biāo),根據(jù)健康監(jiān)測(cè)參數(shù)建立簡(jiǎn)化模型。

建模總的原則都是結(jié)構(gòu)的抽象和簡(jiǎn)化應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量的等效性及其空間分布的一致性,支承條件要較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的工作行為。具體講,必須考慮如何進(jìn)行各類構(gòu)件的簡(jiǎn)化及其物理參數(shù)的選取,以及各類邊界條件的簡(jiǎn)化。對(duì)動(dòng)力模型而言,上述三點(diǎn)的處理是否恰當(dāng)至關(guān)重要。

一座橋梁從設(shè)計(jì)伊始到竣工使用都一直伴有結(jié)構(gòu)計(jì)算的過(guò)程,一般來(lái)說(shuō)這些過(guò)程都有一個(gè)定勢(shì),是人為可控的,期限也是較短的。而對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的橋梁,對(duì)于不同時(shí)期也應(yīng)定期進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,但該時(shí)期所建立的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,相對(duì)來(lái)說(shuō)除結(jié)構(gòu)形式與原結(jié)構(gòu)的形式一樣外,已經(jīng)與原來(lái)的橋梁有很大的區(qū)別,特別是隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng),將會(huì)有許多不定因素出現(xiàn),但是經(jīng)過(guò)多年對(duì)于橋梁的探索發(fā)現(xiàn)還是有規(guī)律可循的。安徽省交通科學(xué)研究所在這方面也做了大量的探索,營(yíng)運(yùn)期間橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的建立不同于設(shè)計(jì)與施工階段結(jié)構(gòu)計(jì)算模型:橋梁在使用過(guò)程中的模型修正、損傷識(shí)別為目標(biāo)的有限元建模中,一方面為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率與振型等整體動(dòng)力特性,在斜拉橋的動(dòng)力分析中,考慮荷載方向的隨機(jī)性,其結(jié)構(gòu)行為表現(xiàn)出較強(qiáng)的耦合性,尤其是扭轉(zhuǎn)和橫向彎曲振型經(jīng)常強(qiáng)烈耦合,其計(jì)算模式必須采用空間模型;另一方面由于該過(guò)程中的模型將會(huì)伴隨橋梁漫長(zhǎng)的使用過(guò)程,對(duì)數(shù)據(jù)及計(jì)算過(guò)程應(yīng)做到能盡量簡(jiǎn)化;同時(shí)橋梁使用過(guò)程中材料的性能也會(huì)老化,出現(xiàn)損傷,即其實(shí)常數(shù)與結(jié)構(gòu)形式也會(huì)發(fā)生變化,在建模的過(guò)程中就應(yīng)考慮實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的修改。

2 建模方法的改進(jìn)與模型修正

建一座大型橋的模型是項(xiàng)復(fù)雜而繁瑣的工作,模型修正的過(guò)程也不好掌握。如何做到只是修改幾個(gè)數(shù)據(jù)就能達(dá)到模型修正的效果;如何將多變的主梁形式及無(wú)法統(tǒng)一的索距統(tǒng)一到一個(gè)命令流中,只需要改變幾個(gè)數(shù)據(jù)另外一座大跨斜拉橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型就會(huì)建立起來(lái)。由前一節(jié)建模過(guò)程及計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析,及主梁的多變形式、各橋不一樣的索距,以各構(gòu)件的實(shí)常數(shù)、雙主梁的間距與索距為變量,以某座橋梁載體建立模型。這樣就形成了現(xiàn)在的針對(duì)該類大跨度斜拉橋的建模思路。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 大橋概況

該橋主橋?yàn)殡p塔雙索面五跨連續(xù)半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋,全長(zhǎng) 1 040 m,跨徑布置為(50+215+510+215+50)m。主梁為全焊接扁平流線形閉口鋼箱梁,梁高3.0 m,行車道寬26.4 m,總寬30 m;鋼箱梁內(nèi)設(shè)橫隔板,標(biāo)準(zhǔn)間距3.75 m,同時(shí)設(shè)置有實(shí)體式或桁架式縱隔板。索塔采用分離上塔柱倒Y形索塔,設(shè)計(jì)有三道橫梁。斜拉索采用多股環(huán)氧全涂無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線,標(biāo)準(zhǔn)索距為15 m。全橋共設(shè)6對(duì)豎向支座,其中主塔處豎向支座兼有縱向限位功能;過(guò)渡墩及輔助墩處豎向支座兼有抵抗部分橫向力功能;橋塔處設(shè)有兩對(duì)橫向抗風(fēng)抗震支座。平面與立面示意圖如圖1所示。

3.2 斜拉橋建模

1)斜拉索建模。斜拉索用空間桿單元Link10模擬,模擬其只受拉不受壓的特性。斜拉索的初拉力通過(guò)輸入單元初應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn),其值采用實(shí)測(cè)值,并用平均的方法保證其對(duì)稱性。斜拉索采用和實(shí)橋一致的雙幅面,全橋斜拉索單元128個(gè)。2)鋼箱梁建模。采用ANSYS單元庫(kù)中的空間梁?jiǎn)卧狟eam4模擬,其中截面高度3 m,截面寬度13.20 m,頂板與底板縱向U形肋各自采用等截面面積,平均厚度的鋼板近似模擬。主梁采用雙主梁法的空間“框架式”模型,主梁?jiǎn)卧?80個(gè)。3)橫隔梁建模。鋼箱梁主梁處橫向每隔3.75 m設(shè)置一橫隔梁,橫隔梁為采用T形斷面的剛臂單元,用空間梁?jiǎn)卧狟eam4模擬,橫隔梁?jiǎn)卧?364個(gè)。4)橋塔、墩和橫梁?；炷翗蛩?、墩和橫梁采用實(shí)際斷面,用空間梁?jiǎn)卧狟eam4模擬。索塔、輔助墩及過(guò)渡墩基礎(chǔ)均按剛性計(jì)算。單箱三室鋼箱梁和T形梁等效的橫隔板的組合反映了斜拉橋主鋼梁的縱向、橫向撓曲剛度和抗扭剛度,大大增加了動(dòng)力計(jì)算的精度。橋塔、墩和橫梁共計(jì)單元380個(gè)。5)邊界條件。邊界條件方面,對(duì)于3,4號(hào)主墩,因?yàn)樵摌驗(yàn)榘肫◇w系,縱向擋塊在有地震主梁浮動(dòng)時(shí)才發(fā)揮作用,所以在求解自振頻率及振型時(shí)可不考慮其影響。對(duì)于橫向水平擋塊,由于主梁與橫向擋塊之間有間隙,且擋塊與主梁表面比較光滑,故主梁在豎向及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不受約束,但對(duì)于主梁橫向振動(dòng),需要考慮擋塊的作用,不能處理為橫向完全自由,故在建模時(shí)采用橫向單向約束。對(duì)于1,2,5,6號(hào)主墩,考慮在豎向設(shè)置了盆式支座,豎向約束外,其他方向不受約束,所有邊墩和輔墩底均采用固結(jié)。6)荷載。橋面鋪裝前一期恒載。

在建模過(guò)程中對(duì)主梁的處理與索距的處理采用的是第三章中提出的建模思路(見(jiàn)表1),對(duì)于該橋應(yīng)用變雙主梁間距與變索距。應(yīng)用數(shù)組與條件語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。根據(jù)該橋的實(shí)際情況建立的模型如圖2所示。

表1 結(jié)構(gòu)建模參數(shù)

表2 計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果 Hz

4 結(jié)語(yǔ)

1)在本文中提出了針對(duì)營(yíng)運(yùn)期的大跨度斜拉橋建立動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(見(jiàn)表2);2)提出針對(duì)該類主梁的斜拉橋建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型;3)在實(shí)橋上應(yīng)用后基本可以滿足使用要求;4)應(yīng)用的橋梁使用時(shí)間較短;在后期的使用還有待于觀察與不斷改進(jìn)。

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