王國(guó)安，李德慧，張 浩

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043;2.江西交通科學(xué)研究院，南昌 330036)

大跨剛性桁梁柔性拱健康監(jiān)測(cè)力學(xué)分析

王國(guó)安1，李德慧2，張 浩1

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043;2.江西交通科學(xué)研究院，南昌 330036)

九江長(zhǎng)江大橋的主橋采用了(180+216+180)m的剛性桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。文中對(duì)該橋進(jìn)行了危險(xiǎn)性分析，并且建立了有限元模型進(jìn)行靜力和動(dòng)力計(jì)算。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析和總結(jié)，得到了橋梁的靜力荷載下的危險(xiǎn)點(diǎn)和動(dòng)力荷載的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，為九江大橋科學(xué)布置測(cè)點(diǎn)和安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了重要數(shù)據(jù)與參考。

剛性桁梁柔性拱 危險(xiǎn)性 靜力分析 動(dòng)力分析 健康監(jiān)測(cè)

1 工程概況

九江長(zhǎng)江大橋位于江西、湖北、安徽三省交界，坐落在江西九江市和湖北黃梅小池口寬闊的江面上，是兩千多公里的京九鐵路大干線上跨越長(zhǎng)江的一座現(xiàn)代化特大公鐵兩用橋梁，上層為四車道兼有人行道的公路，下層為雙線鐵路，是迄今為止世界上最大的公鐵兩用橋。大橋全長(zhǎng)13 941 m，其中鐵路橋全長(zhǎng)7 675 m，公路橋全長(zhǎng)4 460 m，正橋鋼梁長(zhǎng)1 806 m，九江長(zhǎng)江大橋的正橋共11孔鋼梁，橋跨最大跨度達(dá)到了216 m。正橋的組成由北向南依次為(3×162+3×162)m連續(xù)鋼桁梁;(180+216+180)m的剛性桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)和2×126 m連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)。

九江長(zhǎng)江大橋于1996年9月1日正式開通運(yùn)營(yíng)，但是，大橋運(yùn)行15年來，隨著自然的老化和損傷積累、車輛的增加和養(yǎng)護(hù)方面的原因，九江長(zhǎng)江大橋存在著不同程度的損傷和病害，運(yùn)營(yíng)的安全性引起了高度的關(guān)注。近10年來，國(guó)內(nèi)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)和相關(guān)理論迅猛發(fā)展，在技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)上都有了很多的積累，九江大橋所安裝的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)大橋的運(yùn)營(yíng)狀況和實(shí)時(shí)進(jìn)行大橋的狀態(tài)評(píng)估，以確保大橋的安全運(yùn)營(yíng)。尤其是對(duì)最大跨度216 m的剛性桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，為科學(xué)合理地布置測(cè)點(diǎn)提供詳細(xì)的資料［1］。

2 剛性桁梁柔性拱危險(xiǎn)性分析

由于主桁是鋼桁架梁主要的承力結(jié)構(gòu)。因此對(duì)其安全狀態(tài)的把握不僅在于病害的監(jiān)測(cè)，還在于其內(nèi)力狀態(tài)演變的監(jiān)測(cè)。主桁恒載內(nèi)力的演變主要來源于以下各方面：

1)桁架構(gòu)件的銹蝕：鋼結(jié)構(gòu)外表油漆涂裝易劣化，比如變色、起泡、大面積起皮、脫落進(jìn)而引起鋼構(gòu)件銹蝕;

2)主桁節(jié)點(diǎn)板高強(qiáng)螺栓的松動(dòng)和損壞：高強(qiáng)螺栓的工作狀況直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的承載能力，若一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)度螺栓連接發(fā)生問題，出現(xiàn)剪切破壞，就會(huì)影響到多根桿件的受力及分配，進(jìn)而影響到整聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)的安全;

3)吊桿：在活載和風(fēng)振作用下引起疲勞斷裂將改變鋼桁梁的彈性支承跨徑;

4)構(gòu)件的疲勞開裂：長(zhǎng)期的研究表明，疲勞問題已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)非常突出的結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)源，局部的疲勞開裂已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)最常見的病害。由于本橋存在大量的栓接或焊接節(jié)點(diǎn)，因此疲勞裂紋監(jiān)測(cè)在本橋的安全監(jiān)測(cè)中有著至關(guān)重要的作用。按照鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂的原理，桿件中的焊接加勁肋處、桿件的翼板焊接補(bǔ)強(qiáng)處、桿件中的非高強(qiáng)度螺栓連接的開孔處、桿件和節(jié)點(diǎn)板斷面削弱及應(yīng)力集中處，都是易發(fā)生疲勞開裂的位置。

2.1 靜力分析

為了了解該聯(lián)三跨剛性桁梁柔性拱橋的受力特性，采用橋梁博士對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算和分析。平面梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ?，有限元模型支點(diǎn)從左至右依次為6#墩、7#墩、8#墩及9#墩，如圖1所示。有限元模型共被劃分為502個(gè)單元，164個(gè)節(jié)點(diǎn)。具體的單元編號(hào)情況參見圖2，由于是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，中跨只給出了半結(jié)構(gòu)的單元信息。具體的計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。

圖1 剛性桁梁柔性拱平面有限元模型

圖2 剛性桁梁柔性拱單元編號(hào)

表1 剛性桁梁柔性拱橋邊跨重點(diǎn)觀測(cè)壓桿內(nèi)力 kN

表2 剛性桁梁柔性拱橋重點(diǎn)觀測(cè)桿件應(yīng)力變化(中跨半結(jié)構(gòu)) MPa

從表1和表2的計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)主桁剛性桁架梁重點(diǎn)選擇應(yīng)力變幅大、以受拉為主應(yīng)力較高的拉壓桿和拉拉桿觀測(cè)。

2)主桁架柔性拱與吊桿協(xié)作相當(dāng)于對(duì)桁架主梁的彈性支承，軸向壓力較大，應(yīng)考慮予以觀測(cè)。

3)主桁柔性拱三大孔拱吊桿為拉桿，長(zhǎng)細(xì)比大，易出現(xiàn)風(fēng)致振動(dòng)疲勞。資料表明，當(dāng)出現(xiàn)東北風(fēng)(與橋中線正交方向夾角0°～30°)低風(fēng)速4～6級(jí)(風(fēng)速6.5～13.2 m/s)，38根較長(zhǎng)吊桿出現(xiàn)過風(fēng)激渦振。中孔最長(zhǎng)的18根屬縱彎渦振，其余的為扭轉(zhuǎn)渦振。最大縱彎振幅為±7 cm，最大扭轉(zhuǎn)角 ±8°。鑒于該橋在42根長(zhǎng)吊桿處已采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD以遏制渦振，必須適當(dāng)選擇少量吊桿布置傳感器來監(jiān)測(cè)減振效果及其應(yīng)力狀態(tài)。

4)主桁剛性桁架梁加勁弦桿軸向壓力較大，建議予以觀測(cè)，防止可能出現(xiàn)失穩(wěn)。

雖然主橋三大拱跨段的主桁桿件沒有發(fā)現(xiàn)較大的病害，也未發(fā)現(xiàn)有疲勞損傷問題存在，但是考慮公路鐵路交通發(fā)展以及橋梁安全需要，橋梁的運(yùn)營(yíng)安全依托于橋整體的健康，三大拱跨段大橋主結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)應(yīng)以吊桿、拉拉桿、和受拉為主的拉壓桿為內(nèi)力(應(yīng)力)監(jiān)測(cè)對(duì)象。

2.2 動(dòng)力分析

橋梁動(dòng)力特性是橋梁構(gòu)件性能退化的標(biāo)志之一。橋梁自振頻率的降低，橋梁局部振型的改變可能預(yù)示著結(jié)構(gòu)的剛度降低或局部破壞，為了解該聯(lián)三跨剛性桁梁柔性拱橋的動(dòng)力特性，采用大型有限元分析程序ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算和分析。建模時(shí)充分考慮了橋面板、公路縱梁斷縫、公路橋面板間的橡膠伸縮縫和支座等工作狀態(tài)的不確定性，采用了多種邊界條件約束對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行分析，如表3所示。

剛性桁梁柔性拱橋結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件均采用空間梁?jiǎn)卧猙eam4模擬，在橋面系中部分次要鋼構(gòu)件、混凝土橋面板、瀝青混凝土橋面鋪裝以及附屬結(jié)構(gòu)等采用梁?jiǎn)卧郊泳€質(zhì)量和集中質(zhì)量單元mass21代替。模型劃分為6 519個(gè)梁?jiǎn)卧?個(gè)質(zhì)量點(diǎn)單元，節(jié)點(diǎn)共計(jì)3 043個(gè)。有限元模型支點(diǎn)從左至右依次為6#墩、7#墩、8#墩及9#墩。動(dòng)力有限元模型如圖3所示。動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果如表4和圖4所示，因篇幅所限這里只給出了前四階振型。而最終應(yīng)用于大橋的有限元模型需根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正?？傊?，對(duì)于主橋可選擇跨段和健康狀態(tài)較差的構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過人工目視巡檢來加以檢查復(fù)核。

表3 支座不同約束狀態(tài)的組合

圖3 剛性桁梁柔性拱橋空間有限元模型

從表4的計(jì)算結(jié)果可知：在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，低階側(cè)彎振型先于低階反對(duì)稱豎彎振型和低階扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)，其中，低階反對(duì)稱豎彎振型頻率低于低階扭轉(zhuǎn)頻率;在可能工作狀態(tài)下，低階側(cè)彎振型保持先于低階反對(duì)稱豎彎振型和低階扭轉(zhuǎn)頻率出現(xiàn)，但其中低階反對(duì)稱豎彎振型頻率高于低階扭轉(zhuǎn)頻率。從上述分析可得出以下結(jié)論：

1)橋梁橫向剛度較為薄弱，重點(diǎn)加強(qiáng)觀測(cè)橫向振動(dòng)。

2)支座約束的實(shí)際工作狀態(tài)對(duì)振型頻率影響較為明顯，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果正確模擬其工作狀態(tài)。

3 結(jié)論

從理論上講，位移和應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)越多，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的傳感器類型越多，結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的描述就越準(zhǔn)確，監(jiān)測(cè)的結(jié)果也就越精確，但考慮到傳感器、儀表及傳輸和接收設(shè)備的費(fèi)用，一般只能使用有限數(shù)量的傳感器［2］。所以，如何兼顧有效性和經(jīng)濟(jì)性，即用盡可能少的傳感器獲取全面的、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，就需要事先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的靜力、動(dòng)力計(jì)算，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的受力危險(xiǎn)點(diǎn)和動(dòng)載效應(yīng)情況有一個(gè)預(yù)判。

圖4 剛性桁梁柔性拱橋設(shè)計(jì)狀態(tài)下的前4階振型

表4 剛性桁梁柔性拱橋振型頻率 Hz

以上對(duì)九江大橋主橋大跨(中跨為216 m)剛性桁梁柔性拱的危險(xiǎn)性進(jìn)行了理論分析，并且對(duì)該剛性桁梁柔性拱橋進(jìn)行了有限元建模和靜力、動(dòng)力分析。根據(jù)理論計(jì)算和分析可知，剛性桁梁柔性拱橋靜力控制截面的具體位置為中孔跨中截面、拱頂截面、內(nèi)支點(diǎn)截面、端支點(diǎn)截面。且活載作用下控制截面受力最不利的桿件為中跨跨中下弦桿、邊跨梁端第四節(jié)上下弦桿、端支點(diǎn)墩頂豎桿、橋門架斜桿、邊拱拱肋、中拱拱肋、內(nèi)支點(diǎn)墩頂處上弦桿、加勁弦、內(nèi)支點(diǎn)豎桿;動(dòng)力監(jiān)測(cè)應(yīng)注意重點(diǎn)觀測(cè)橫向的振動(dòng)，并且由于約束條件對(duì)振動(dòng)有較大影響，應(yīng)對(duì)支座的實(shí)際工作狀態(tài)也進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

此外，由于九江長(zhǎng)江大橋是迄今為止世界上最大的公鐵兩用橋，對(duì)于其精度控制將十分困難。該大橋的有限元模型非常復(fù)雜，以上分析也會(huì)存在一定的誤差［3］。因此，在確定具體的健康監(jiān)測(cè)方案之前，最好進(jìn)行模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證，并對(duì)傳感器測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置。

［1］同濟(jì)大學(xué)，上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院，等.大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及在線評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究科研項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收?qǐng)?bào)告［R］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

［2］上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，同濟(jì)大學(xué)，上海巨一科技發(fā)展有限公司.上海崇明越江通道長(zhǎng)江大橋工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案［R］.上海：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，2007.

［3］聞家明，周仙通.深圳灣公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.世界橋梁，2008(2)：63-65.

U448.21+1

B

1003-1995(2011)03-0016-04

2010-10-21;

2011-12-10

王國(guó)安(1972— )，男，河北武邑人，講師，碩士研究生。

(責(zé)任審編 白敏華)