大跨剛性桁梁柔性拱健康監(jiān)測力學分析

王國安，李德慧，張 浩

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

大跨剛性桁梁柔性拱健康監(jiān)測力學分析

王國安1，李德慧2，張 浩1

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

九江長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)受力復雜。文中對該橋進行了危險性分析，并且建立了有限元模型進行靜力和動力計算。通過對計算結(jié)果的分析和總結(jié)，得到了橋梁的靜力荷載下的危險點和動力荷載的監(jiān)測重點，為九江大橋科學布置測點和安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)提供了重要數(shù)據(jù)與參考。

剛性桁梁柔性拱 危險性 靜力分析 動力分析 健康監(jiān)測

1 工程概況

九江長江大橋位于江西、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13 941 m，其中鐵路橋全長7 675 m，公路橋全長4 460 m，正橋鋼梁長1 806 m，九江長江大橋的正橋共11孔鋼梁，橋跨最大跨度達到了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)。

九江長江大橋于1996年9月1日正式開通運營，但是，大橋運行15年來，隨著自然的老化和損傷積累、車輛的增加和養(yǎng)護方面的原因，九江長江大橋存在著不同程度的損傷和病害，運營的安全性引起了高度的關(guān)注。近10年來，國內(nèi)健康監(jiān)測技術(shù)和相關(guān)理論迅猛發(fā)展，在技術(shù)和經(jīng)驗上都有了很多的積累，九江大橋所安裝的健康監(jiān)測系統(tǒng)，在線監(jiān)測大橋的運營狀況和實時進行大橋的狀態(tài)評估，以確保大橋的安全運營。尤其是對最大跨度216 m的剛性桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)進行力學分析，為科學合理地布置測點提供詳細的資料［1］。

2 剛性桁梁柔性拱危險性分析

由于主桁是鋼桁架梁主要的承力結(jié)構(gòu)。因此對其安全狀態(tài)的把握不僅在于病害的監(jiān)測，還在于其內(nèi)力狀態(tài)演變的監(jiān)測。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、脫落進而引起鋼構(gòu)件銹蝕;

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

3)吊桿：在活載和風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，因此疲勞裂紋監(jiān)測在本橋的安全監(jiān)測中有著至關(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、桿件的翼板焊接補強處、桿件中的非高強度螺栓連接的開孔處、桿件和節(jié)點板斷面削弱及應力集中處，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，采用橋梁博士對結(jié)構(gòu)進行靜力計算和分析。平面梁單元有限元模型，有限元模型支點從左至右依次為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個單元，164個節(jié)點。具體的單元編號情況參見圖2，由于是對稱結(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

表1 剛性桁梁柔性拱橋邊跨重點觀測壓桿內(nèi)力 kN

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

從表1和表2的計算結(jié)果可以看出：

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

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

3)主桁柔性拱三大孔拱吊桿為拉桿，長細比大，易出現(xiàn)風致振動疲勞。資料表明，當出現(xiàn)東北風(與橋中線正交方向夾角0°～30°)低風速4～6級(風速6.5～13.2 m/s)，38根較長吊桿出現(xiàn)過風激渦振。中孔最長的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，必須適當選擇少量吊桿布置傳感器來監(jiān)測減振效果及其應力狀態(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，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，橋梁的運營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)測應以吊桿、拉拉桿、和受拉為主的拉壓桿為內(nèi)力(應力)監(jiān)測對象。

2.2 動力分析

橋梁動力特性是橋梁構(gòu)件性能退化的標志之一。橋梁自振頻率的降低，橋梁局部振型的改變可能預示著結(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力特性，采用大型有限元分析程序ANSYS進行結(jié)構(gòu)的計算和分析。建模時充分考慮了橋面板、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其動力特性進行分析，如表3所示。

剛性桁梁柔性拱橋結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件均采用空間梁單元beam4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)等采用梁單元附加線質(zhì)量和集中質(zhì)量單元mass21代替。模型劃分為6 519個梁單元，4個質(zhì)量點單元，節(jié)點共計3 043個。有限元模型支點從左至右依次為6#墩、7#墩、8#墩及9#墩。動力有限元模型如圖3所示。動力計算的結(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。而最終應用于大橋的有限元模型需根據(jù)實測結(jié)果進行修正。總之，對于主橋可選擇跨段和健康狀態(tài)較差的構(gòu)件進行監(jiān)測，并通過人工目視巡檢來加以檢查復核。

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的計算結(jié)果可知：在設計狀態(tài)下，低階側(cè)彎振型先于低階反對稱豎彎振型和低階扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)，其中，低階反對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稱豎彎振型和低階扭轉(zhuǎn)頻率出現(xiàn)，但其中低階反對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，重點加強觀測橫向振動。

2)支座約束的實際工作狀態(tài)對振型頻率影響較為明顯，應根據(jù)實測結(jié)果正確模擬其工作狀態(tài)。

3 結(jié)論

從理論上講，位移和應力的測點越多，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)使用的傳感器類型越多，結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的描述就越準確，監(jiān)測的結(jié)果也就越精確，但考慮到傳感器、儀表及傳輸和接收設備的費用，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)濟性，即用盡可能少的傳感器獲取全面的、準確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，就需要事先對結(jié)構(gòu)進行相應的靜力、動力計算，從而對結(jié)構(gòu)的受力危險點和動載效應情況有一個預判。

圖4 剛性桁梁柔性拱橋設計狀態(tài)下的前4階振型

表4 剛性桁梁柔性拱橋振型頻率 Hz

以上對九江大橋主橋大跨(中跨為216 m)剛性桁梁柔性拱的危險性進行了理論分析，并且對該剛性桁梁柔性拱橋進行了有限元建模和靜力、動力分析。根據(jù)理論計算和分析可知，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)支點截面、端支點截面。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、端支點墩頂豎桿、橋門架斜桿、邊拱拱肋、中拱拱肋、內(nèi)支點墩頂處上弦桿、加勁弦、內(nèi)支點豎桿;動力監(jiān)測應注意重點觀測橫向的振動，并且由于約束條件對振動有較大影響，應對支座的實際工作狀態(tài)也進行監(jiān)測。

此外，由于九江長江大橋是迄今為止世界上最大的公鐵兩用橋，對于其精度控制將十分困難。該大橋的有限元模型非常復雜，以上分析也會存在一定的誤差［3］。因此，在確定具體的健康監(jiān)測方案之前，最好進行模型試驗加以驗證，并對傳感器測點進行優(yōu)化布置。

［1］同濟大學，上海市政工程設計研究總院，上海市城市建設設計研究院，等.大型復雜橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及在線評估關(guān)鍵技術(shù)研究科研項目結(jié)題驗收報告［R］.上海：同濟大學，2009.

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

［3］聞家明，周仙通.深圳灣公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的實現(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

王國安(1972— )，男，河北武邑人，講師，碩士研究生。

(責任審編 白敏華)