陳維平 （安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088）

1 概述

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋是安徽省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“四縱八橫”中的“縱二”組成部分，在交通路網(wǎng)規(guī)劃中具有重要的地位。為確保大橋的運(yùn)行安全，目前正在安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、主梁信息監(jiān)測(cè)、橋塔信息監(jiān)測(cè)、斜拉索信息監(jiān)測(cè)和動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)等幾個(gè)方面。蕪湖二橋主梁的豎向撓度監(jiān)測(cè)布置如圖1所示，包括邊跨跨中、次主跨四分點(diǎn)、主跨12分點(diǎn)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，斷面間距約為70m，每幅箱梁測(cè)點(diǎn)22個(gè)，全橋共44個(gè)測(cè)點(diǎn)。為有效發(fā)揮其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行預(yù)警，必須設(shè)置合理的預(yù)警閾值。本文將以跨中撓度為例，探討健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警閾值的設(shè)定方法。

圖1 主梁撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

2 有限元模型建立

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋主橋跨徑布置為（100+308+806+308+100）m，為全漂浮式分肢柱式塔四索面分離式鋼箱梁斜拉橋。大橋主梁為分離式扁平流線形封閉鋼箱梁，其中上翼緣為正交異性板結(jié)構(gòu)，鋼箱梁按兩個(gè)行車(chē)道方向分為兩幅獨(dú)立的箱梁，單箱寬18m，兩幅箱梁中間距離17m，單幅箱梁兩側(cè)各設(shè)有斜拉索錨固點(diǎn)，斜拉索在塔端采用鞍座錨固系統(tǒng)，兩幅箱梁之間間隔一個(gè)梁段設(shè)置橫梁進(jìn)行連接。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用通用有限元程序ANSYS建立蕪湖長(zhǎng)江公路二橋的有限元模型。大橋主要使用的材料包括C40混凝土、C50混凝土、Q345鋼材以及1860MPa級(jí)鋼絞線，模型中各部分所用材料的參數(shù)如表1所示。模型中將該橋離散為806個(gè)節(jié)點(diǎn)、825個(gè)單元，其中鋼箱梁主梁及橫梁采用兩節(jié)點(diǎn)三維BEAM188單元模擬，混凝土橋塔同樣采用BEAM188單元，斜拉索采用三維桿單元LINK10來(lái)模擬，模型三維圖如圖2所示。

主要材料參數(shù)列表 表1

圖2 全橋有限元模型

3 不同狀態(tài)下橋梁位移響應(yīng)分析

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004），通過(guò)有限元模型計(jì)算時(shí)將正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下的不同荷載組合作用下，以及施加一定倍數(shù)的車(chē)輛荷載來(lái)模擬跨中撓度接近或達(dá)到規(guī)范限值時(shí)的橋梁響應(yīng)。

3.1 正常使用極限狀態(tài)下橋梁位移響應(yīng)分析

按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，考慮的永久作用包括結(jié)構(gòu)自重及斜拉索初拉力，可變作用包括車(chē)輛荷載、風(fēng)荷載及溫度效應(yīng)。車(chē)輛荷載縱向折減系數(shù)0.95，橫向折減系數(shù)8車(chē)道時(shí)為0.5，4車(chē)道時(shí)為0.67；根據(jù)設(shè)計(jì)資料，1/100重現(xiàn)期基本風(fēng)速為27.1m/s，超過(guò)橋面處?kù)o風(fēng)風(fēng)速25m/s，因此極限風(fēng)不與汽車(chē)荷載組合；溫度荷載考慮為鋼箱梁整體升溫26℃，整體降溫29℃，混凝土塔整體升溫14℃，整體降溫23℃，承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)同樣按此考慮。本節(jié)考慮的荷載組合如表2所示。

正常使用極限狀態(tài)下荷載組合 表2

為獲取主梁跨中撓度最大值，按其影響線進(jìn)行布載，在有限元模型中實(shí)際加載時(shí)，將汽車(chē)荷載的均布荷載部分作用于主跨，集中荷載部分作用于跨中位置。求解后將位移結(jié)果減去恒載作用下的位移得到橋梁在不同活載作用下的位移結(jié)果，如圖3所示?？梢钥闯?，橋梁的活載撓度受汽車(chē)荷載的影響最大，同時(shí)溫度升高時(shí)主跨下?lián)现翟黾?，邊跨上撓值增加，溫度降低時(shí)主跨下?lián)现禍p小，邊跨上撓值也減小。僅考慮車(chē)輛荷載時(shí)，按8車(chē)道布載大橋主跨跨中撓度最大，為0.79m；考慮汽車(chē)荷載、溫度荷載及靜風(fēng)荷載時(shí)，在工況4即升溫、橫風(fēng)作用下跨中撓度最大，為0.82m；考慮極限風(fēng)荷載及溫度荷載時(shí)，在工況8即極限橫風(fēng)、升溫作用下跨中撓度最大，為0.04m。根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01-2007）規(guī)定，本斜拉橋主梁在車(chē)道荷載作用下最大豎向撓度應(yīng)不大于L/400（L為主跨跨徑），即為2.02m，可知按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合時(shí)大橋跨中撓度未超過(guò)限值。

3.2 承載能力極限狀態(tài)下橋梁位移響應(yīng)分析

按承載能力極限狀態(tài)分析主梁跨中撓度的閾值時(shí)主要采用其基本組合，計(jì)算時(shí)各荷載組合如表3所示。

承載能力極限狀態(tài)效應(yīng)組合下橋梁活載撓度結(jié)果如圖4所示。可以看出，僅考慮車(chē)輛荷載時(shí)，按8車(chē)道布載大橋主跨跨中撓度最大，為1.22m；考慮汽車(chē)荷載、溫度荷載及靜風(fēng)荷載時(shí)，在工況4即升溫、橫風(fēng)作用下跨中撓度最大，為1.25m；考慮極限風(fēng)荷載及溫度荷載時(shí)，在工況8即極限橫風(fēng)、升溫作用下跨中撓度最大，為0.05m。所有工況下的最大撓度為1.25m，小于規(guī)范規(guī)定的斜拉橋在活載作用下最大豎向撓度限值L/400=2.02m。

圖3 正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)組合下橋梁活載撓度圖

3.3 規(guī)范撓度限值下橋梁響應(yīng)分析

承載能力極限狀態(tài)下荷載組合 表3

圖4 承載能力極限狀態(tài)效應(yīng)組合下橋梁活載撓度圖

本節(jié)對(duì)主梁跨中撓度達(dá)到規(guī)范限值時(shí)橋梁的狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。在有限元模型中進(jìn)行模擬時(shí)，不計(jì)入風(fēng)荷載、溫度荷載，僅考慮恒載及汽車(chē)荷載，通過(guò)將汽車(chē)荷載在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的倍數(shù)來(lái)模擬對(duì)應(yīng)的工況，汽車(chē)荷載中均布荷載部分作用于主跨，集中荷載部分作用于跨中位置。計(jì)算得出規(guī)范撓度限值下橋梁跨中撓度為-2.02m,車(chē)載倍數(shù)為1.92.

本橋在兩種設(shè)計(jì)極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合作用下，主梁跨中撓度的最大值均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值。就主梁跨中撓度這一參數(shù)而言，其值在規(guī)范限值范圍內(nèi)變化可能對(duì)橋梁整體的安全性不構(gòu)成威脅，但主梁的撓度過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響行車(chē)的舒適性，局部區(qū)域過(guò)大的撓度有可能會(huì)引發(fā)交通事故。因此本橋主梁跨中撓度超過(guò)設(shè)計(jì)限值但小于規(guī)范限值時(shí)仍應(yīng)進(jìn)行預(yù)警，將預(yù)警閾值分為三級(jí)，前兩級(jí)根據(jù)正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下得出的位移來(lái)設(shè)定，第三級(jí)預(yù)警閾值根據(jù)規(guī)范規(guī)定的撓度限值來(lái)設(shè)定，分別為-0.82m、-1.25m和-2.02m。

5 結(jié)論

本文采用有限元模擬分析方法設(shè)定蕪湖長(zhǎng)江公路二橋的預(yù)警閾值。以主梁跨中撓度為預(yù)警參數(shù)，計(jì)算了橋梁在正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合作用下以及橋梁跨中撓度達(dá)到規(guī)范撓度限值時(shí)的橋梁響應(yīng)，得到了三種狀態(tài)下主梁跨中撓度的最大值，作為該參數(shù)的一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)預(yù)警閾值。