楊 帆，王少欽

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 理學(xué)院，北京 100044)

近幾十年來(lái)，世界各國(guó)橋梁建設(shè)快速發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)的不斷創(chuàng)新，促成了以斜拉橋、懸索橋?yàn)榇淼拇笮蜆蛄航ㄔO(shè)突飛猛進(jìn)。橋梁跨徑記錄不斷被刷新，我國(guó)斜拉橋應(yīng)用跨度已從96 m發(fā)展到接近 1 100 m[1]，并且作為世界上擁有斜拉橋數(shù)量最多的國(guó)家，全球主跨長(zhǎng)度排名前10位的斜拉橋中，我國(guó)占據(jù)其中6席，見(jiàn)表1[2]。

表1 世界斜拉橋主跨長(zhǎng)度排名前十名

橋梁的使用期長(zhǎng)達(dá)幾十年、甚至上百年，橋梁結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中在荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)、材料退化、環(huán)境侵蝕及初始設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中產(chǎn)生的各種不良因素的綜合作用下，將不可避免地導(dǎo)致其強(qiáng)度和剛度逐漸降低、抗力衰減[3]，從而影響橋梁工程的正常及安全使用。國(guó)內(nèi)外由此引發(fā)了多起橋梁安全事故：2001年宜賓南門(mén)大橋斷裂，造成3車(chē)墜江，1船被毀、2人死亡、2人失蹤、多人受傷，全市對(duì)外交通受阻而造成上億元的經(jīng)濟(jì)損失。 2006年12月印度東部地區(qū)一座上跨鐵路的大橋垮塌，造成橋下一列正在行駛的城際列車(chē)上33人死亡。2007年美國(guó)明尼蘇達(dá)州的一座橋梁發(fā)生坍塌，60多輛汽車(chē)跌入密西西比河，7人死亡，至少60人受傷。另有眾多橋梁出現(xiàn)了不同程度的性能退化，各國(guó)每年均要花費(fèi)巨資用于舊橋的維修加固。橋梁的安全問(wèn)題日益嚴(yán)峻，由此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)越發(fā)受到人們的重視。

利用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大型橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，克服了傳統(tǒng)人工檢測(cè)所不可避免的實(shí)時(shí)性差、整體性差、受檢測(cè)人員數(shù)量及知識(shí)經(jīng)驗(yàn)影響大、影響正常交通等不足之處[4]，成為保障橋梁結(jié)構(gòu)可靠性、安全性和耐久性，實(shí)時(shí)掌握橋梁健康狀況的有效手段。橋梁健康監(jiān)測(cè)本身也是對(duì)橋梁的足尺試驗(yàn)，并且試驗(yàn)項(xiàng)目全面，測(cè)試數(shù)據(jù)豐富，能夠得到真實(shí)橋梁在真實(shí)荷載和真實(shí)環(huán)境下的各種響應(yīng)。其得到的大量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將對(duì)完善大型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論以及進(jìn)行大型橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)科學(xué)研究具有極為重要的意義[3]，受到許多橋梁專(zhuān)家學(xué)者廣泛關(guān)注。

東南大學(xué)的李?lèi)?ài)群團(tuán)隊(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)策略和傳感器優(yōu)化布設(shè)進(jìn)行了研究，據(jù)此設(shè)計(jì)了潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]。同濟(jì)大學(xué)的孫利民團(tuán)隊(duì)致力于研究橋梁健康檢測(cè)新技術(shù)與大型橋梁管理系統(tǒng)，同時(shí)參與了徐浦大橋、東海大橋、蘇通大橋的橋梁健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與建設(shè)[6]。香港理工大學(xué)的倪一清團(tuán)隊(duì)致力于研究橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的推廣應(yīng)用，參與了國(guó)內(nèi)多座大跨度橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)[7]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的歐進(jìn)萍、李惠團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的研究，參與建立了濱州黃河公路大橋和哈爾濱松花江大橋的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8-9]。

本文對(duì)一座跨海大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了介紹，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的方法驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)的有效性，最后進(jìn)一步利用有限元模型分析該橋在不同工況下的響應(yīng)規(guī)律。

1 跨海大橋簡(jiǎn)介

1.1 工程概述

跨海大橋?yàn)榉址B合梁公路斜拉橋，全長(zhǎng)800 m，主跨為400 m，兩側(cè)有輔跨130 m和邊跨70 m對(duì)稱(chēng)布置。三柱式門(mén)型橋塔，索塔高158 m，全橋共有288根斜拉索，設(shè)計(jì)行車(chē)速度100 km/h，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年，地震基本烈度為Ⅶ度。其主橋總體布置和單幅主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 大橋示意

1.2 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了保障該跨海大橋的運(yùn)營(yíng)安全，該橋設(shè)置了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)評(píng)估橋梁的安全度，為橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

該橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括主梁風(fēng)荷載、索塔風(fēng)荷載、主梁震動(dòng)、斜拉索震動(dòng)、地震動(dòng)、索塔震動(dòng)、防撞墩震動(dòng)、GPS、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重、主梁溫濕度、索塔溫濕度、主梁變形、降雨量、梁端位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)溫度等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、調(diào)理器、采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)庫(kù)、IIS等部分構(gòu)成。橋梁的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取及應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取流程

1.3 有限元模型

利用ANSYS有限元分析軟件，通過(guò)編寫(xiě)APDL命令流的方式進(jìn)行斜拉橋的建模、計(jì)算及數(shù)據(jù)后處理[10]，斜拉橋的主梁、橋塔及橋墩采用Beam 4單元進(jìn)行模擬，拉索采用Link 10單元模擬。

對(duì)斜拉橋進(jìn)行模態(tài)分析，得到主梁的前10階自振頻率及振型列于表2。

表2 斜拉橋自振模態(tài)

2 橋梁荷載

2.1 車(chē)輛荷載

汽車(chē)模型采用文獻(xiàn)[11]中箱式貨車(chē)的參數(shù),簡(jiǎn)化為前39.14 kN、后34.26 kN相距5.6 m的移動(dòng)集中力。汽車(chē)荷載列中的車(chē)距根據(jù)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》中規(guī)定的安全車(chē)距并結(jié)合實(shí)際情況采取0.5的折減系數(shù)進(jìn)行取值，在計(jì)算中取25 m。根據(jù)橋梁實(shí)際情況并結(jié)合相關(guān)規(guī)范[12]，汽車(chē)荷載的橫向折減系數(shù)取0.78，縱向折減系數(shù)取0.96。汽車(chē)荷載的布置情況如圖3所示。

圖3 汽車(chē)荷載布置示意(單位：m)

2.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載由跨海大橋主跨跨中處風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀測(cè)得的某時(shí)段風(fēng)速樣本計(jì)算所得，該時(shí)間段內(nèi)平均風(fēng)速為7.27 m/s。為了研究多種不同風(fēng)速條件下斜拉橋的振動(dòng)響應(yīng)，需按照規(guī)范中的風(fēng)速譜進(jìn)行不同平均風(fēng)速下的風(fēng)荷載時(shí)程數(shù)值模擬。本文采用Cao等提出的一種快速譜分析法[13]，其基本假定為：橋面沿水平方向是等高程的，平均風(fēng)速和風(fēng)譜沿橋面不變，任意2個(gè)模擬風(fēng)速點(diǎn)之間的距離相等，橋梁第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的縱向和垂直方向風(fēng)分量的時(shí)程h(t)和v(t)可以由下式產(chǎn)生

式中：Δu為譜線(xiàn)之間的頻率間隔；N為頻率分量的總數(shù)；i=1,2，…，m；m為主梁模擬風(fēng)速點(diǎn)的總數(shù)；φnj是0～2π 之間均勻分布的隨機(jī)變量；G(u)是風(fēng)速點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣；Sh(u)和Sv(u)分別為水平和豎直風(fēng)速自功率譜，按照我國(guó)JTG/T D60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)該跨海大橋主梁上的76個(gè)節(jié)點(diǎn)處的風(fēng)速進(jìn)行模擬時(shí)，風(fēng)速節(jié)點(diǎn)間距取值與梁段長(zhǎng)度保持一致，為10.5 m。

3 橋梁振動(dòng)響應(yīng)分析

為了方便輸出，在橋梁主跨跨中、1/4跨及兩側(cè)輔跨跨中分別定義A,B,C,D和E點(diǎn)如圖4所示。

圖4 振動(dòng)響應(yīng)輸出節(jié)點(diǎn)圖示

首先模擬計(jì)算由3列、48排共144輛汽車(chē)組成的連續(xù)車(chē)隊(duì)荷載列以80 km/h車(chē)速在橋上行駛時(shí)的橋梁動(dòng)力響應(yīng)。將在平均風(fēng)速為7.27 m/s時(shí)段內(nèi)實(shí)測(cè)的主跨跨中A點(diǎn)的豎向及橫向加速度數(shù)據(jù)與在前述模擬車(chē)輛及相同風(fēng)荷載共同作用下所得的相應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示?？芍M所得加速度曲線(xiàn)與橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)振動(dòng)形式相同，曲線(xiàn)波動(dòng)范圍很接近，說(shuō)明該數(shù)值模擬試驗(yàn)有較好的可信度，能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)該跨海大橋的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)該橋其他工況下的響應(yīng)規(guī)律做進(jìn)一步的研究。

圖5 實(shí)測(cè)與模擬橋梁跨中節(jié)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)比

圖6 橋梁各節(jié)點(diǎn)加速度極值隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)

分別計(jì)算在車(chē)速為80 km/h時(shí)平均風(fēng)速分別由0增加至30 m/s時(shí)橋梁的振動(dòng)響應(yīng)，斜拉橋各節(jié)點(diǎn)的橫向、豎向振動(dòng)加速度極值的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。由圖可知橋梁振動(dòng)加速度極值隨著風(fēng)速的增加而明顯增大，且豎向振動(dòng)加速度相較于橫向振動(dòng)加速度的增幅更大，證明該斜拉橋?qū)︼L(fēng)荷載的敏感性。

斜拉橋各節(jié)點(diǎn)的橫向位移極值隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)如圖7所示?？芍?，主跨跨中A節(jié)點(diǎn)比其他各點(diǎn)的橫向位移大出很多，A點(diǎn)處的橫向位移極值隨風(fēng)速變化斜率較大，說(shuō)明斜拉橋主跨橫向位移對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，與橋梁模態(tài)分析結(jié)果一致。

圖7 橋梁各節(jié)點(diǎn)橫向位移極值隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)

當(dāng)風(fēng)速均值取7.27 m/s時(shí)，汽車(chē)荷載分別以40，60，80，100，120 km/h 5種車(chē)速過(guò)橋的情況下，橋梁A，B點(diǎn)處振動(dòng)響應(yīng)隨車(chē)速變化趨勢(shì)的模擬計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。可知，車(chē)速變化對(duì)橋梁橫向位移的影響并不大，而對(duì)跨中節(jié)點(diǎn)的豎向位移影響較為明顯，當(dāng)車(chē)速在40～100 km/h時(shí)，跨中最大豎向位移幾乎無(wú)變化，當(dāng)車(chē)速超過(guò)100 km/h時(shí)最大位移明顯增加。

圖8 A,B點(diǎn)橫、豎向位移極值隨車(chē)速變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1)本文以一座跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，介紹了該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概況。建立了有限元分析模型，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。以此為基礎(chǔ)利用有限元模型計(jì)算了該橋在不同工況下的響應(yīng)規(guī)律。

2)通過(guò)計(jì)算得出該斜拉橋自振頻率較低，對(duì)風(fēng)荷載作用較敏感。未考慮風(fēng)荷載時(shí)，主梁各點(diǎn)的橫向位移和橫向加速度均很小，幾乎為零，考慮風(fēng)荷載作用后主梁的橫向位移隨著風(fēng)速的增大而顯著增大，因此主梁的橫向位移響應(yīng)主要由風(fēng)荷載控制。

3)車(chē)速的變化對(duì)橋梁的橫向位移影響不大，但當(dāng)車(chē)速超過(guò)100 km/h時(shí)跨中節(jié)點(diǎn)最大豎向位移明顯增加，由此驗(yàn)證了該跨海大橋設(shè)計(jì)行車(chē)速度的合理性。