面向損傷識別的獨塔斜拉橋模型的設計與分析

李延強， 杜彥良

( 石家莊鐵道大學 工程力學系，河北 石家莊 050043)

橋梁結構在長期使用過程中會發(fā)生各種損傷，導致橋梁結構的承載能力的降低，甚至會導致橋梁的倒塌，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。為了保證橋梁的安全性，需要及時的發(fā)現(xiàn)橋梁結構存在的損失情況。橋梁結構損傷識別已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。眾所周知，對實際復雜橋梁結構進行數(shù)值模擬研究存在較大的局限性，而在實際橋梁結構上不容許進行實際結構的損傷模擬，因此，模型試驗是橋梁損傷識別的重要研究手段。目前，關于橋梁結構損傷識別的模型試驗尚不多見。孫宗光等［1］參考實際大跨度懸索橋結構，面向損傷識別設計了懸索橋試驗模型。該模型的全部構件均采用獨立制作，通過螺栓等連接構件進行組裝，使每個構件可以方便的進行狀態(tài)調(diào)整、拆除和更換。針對該模型進行了詳細的靜、動力試驗，同時與有限元計算結構進行了對比分析。對于斜拉橋結構的模型試驗［2-5］，目前主要集中在驗證橋梁施工過程的安全性及成橋后大橋安全性和可靠性，檢驗設計理論參數(shù)及理論計算的正確性。劉兆豐［6］等針對雙塔聯(lián)體分幅斜拉橋塔結構通過模型試驗進行了索力優(yōu)化方法試驗。Pandey 等［7-8］提出了采用柔度變化率識別損傷，并進行了模型試驗，根據(jù)試驗模態(tài)數(shù)據(jù)對損傷狀態(tài)進行了預測。葛繼平等［9］在Pandey 等的研究基礎上，基于動力測試采用柔度變化率對一座斜拉橋模型進行了損傷識別的實用性研究。

不針對具體斜拉橋，基于損傷識別目的設計制作了獨塔斜拉橋試驗模型。模型的主要構件( 主塔、主梁等) 均采用單獨制作，損傷源的模擬采用改變節(jié)段板厚的方法實現(xiàn)，通過階段位置、節(jié)段長度的改變可方便的模擬不同位置和不同大小的損傷，而更換板厚的不同可模擬同一位置損傷程度的不同。對斜拉橋模型索力測試系統(tǒng)進行了改造，在不改變拉索剛度的前提下實現(xiàn)了斜拉索索力的實時測量。對模型進行了初步的靜態(tài)性能測試，并與有限元模型分析的結算結果進行了對比分析。

1 試驗模型的設計與制作

1．1 模型總體設計

試驗模型不針對具體斜拉橋，參照獨塔斜拉橋的設計特點，虛擬原型斜拉橋。虛擬斜拉橋橋跨布置為130 m+130 m，采用塔梁固結形式，斜拉索采用扇形布置，梁上索距6 m。主梁采用箱型截面，主梁頂面全寬37．5 m。梁高3 m( 標準斷面) ，索塔為H 型塔，塔高為93．20 m，拉索采用雙索面布置，全橋共36 根。根據(jù)前人總結的經(jīng)驗，對于橋梁整體結構模型的典型比例系數(shù)為1∶ 25 ～1∶ 50［10］，結合虛擬橋橋特點，幾何縮尺選用λ = 50，試驗模型的設計基于相似理論進行［11］，遵循如下原則:模型與原型橋幾何相似;模型與原型橋?qū)孛鎰偠认嗨?模型與原型橋邊界條件相似。模型總體布置如圖1 所示。

圖1 試驗模型布置圖

1．2 模型結構設計與制作要點

1．2．1 主梁

模型主梁采用鋁合金材料，截面形式采用箱型，按照剛度相似的原則確定截面尺寸，共分15 個節(jié)段，采用螺栓拼接而成。每一節(jié)段分別由頂板、腹板( 底板) 及加勁肋通過螺栓連接而成，截面構造如圖2 所示。節(jié)段長度分0．48 m、0．24 m、0．12 m 三種規(guī)格。

圖2 截面構造布置圖(單位:mm)

損傷源的模擬采用改變節(jié)段板厚的方法實現(xiàn)，通過節(jié)段位置，節(jié)段長度的改變可方便的模擬不同位置和不同大小的損傷，而更換板厚的不同可模擬同一位置損傷程度的不同。

1．2．2 加載系統(tǒng)

杠桿加載系統(tǒng)由門架、杠桿組織和過梁系統(tǒng)三部分組成。門架主要承受由配重產(chǎn)生所有支反力，橫梁由兩根工字鋼焊接而成，通過槽鋼與基座相連;通過杠桿組織，在托盤上加載重物，以1∶ 10 的比例加載到過梁系統(tǒng)上。本試驗配重為72 kN。配重采用澆筑成型的鋼錠，重物掛在托盤上，通過過梁系統(tǒng)實現(xiàn)在橋面上方的均布加載，較好的模擬了實橋的自重分布。

1．2．3 索力測試系統(tǒng)

一般的斜拉橋模型試驗索力均采用測力裝置串聯(lián)在索中的方式進行［5］，該方式將斜拉索斷開，改變了拉索的剛度和整體性，同時也不利于長期監(jiān)測。本實驗對索力測試方法進行了改進，引入壓力環(huán)傳感器從而實現(xiàn)了斜拉索索力的實時監(jiān)測。

索力測試系統(tǒng)主要有定位螺桿、找平塊、壓力環(huán)傳感器、調(diào)節(jié)螺栓等構件組成，安裝在索梁錨固區(qū)。將壓力環(huán)傳感器與測試儀器用導線連接，可以實時、快捷的對斜拉索索力進行測量。索力測試系統(tǒng)構造如圖3 所示。

1．3 模型預分析

根據(jù)初步設計，建立了模型的空間有限元模型。對初步設計的模型進行有關的靜動力分析。基于模型的相似條件，對模型的力學性能進行了評價。計算模型的基頻為3．493 7 Hz，為反對稱豎彎振型，原橋一階基頻為0．544 Hz，振型同樣為反對稱豎彎，模型橋與原橋基頻比為6．3，符合相似比分析結果;其他階頻率的比值均在6．0 左右，且振型吻合，表明模型橋可以較好的反映橋梁結構的動力性能。同時靜力結果也符合相似比分析結果，因此模型橋具有良好的力學性能，驗證了模型的可行性。

圖3 索力測試系統(tǒng)構造圖

2 試驗模型測試分析

根據(jù)試驗工況對模型橋施加配重荷載，對橋梁結構的最大撓度點、拉索索力等進行監(jiān)測。本試驗模型配重按14 620 N/m，持荷15 min 后進行測量。

2．1 主梁撓度測試

監(jiān)測截面選擇在主梁左跨1/8L、1/4L、3/8L、1/2L、5/8L、3/4L、7/8L 塔 梁 交 接 處、右 跨1/8L、1/4L、3/8L、1/2L、5/8L、3/4L、7/8L，每個截面橫向布設2 個測點，位移傳感器用百分計測量。測量結果與有限元分析結果對比如圖4 所示。

2．2 斜拉索索力測試

斜拉索作為斜拉橋結構的主要承力構件，在斜拉橋結構的控制研究和損傷識別研究中，斜拉索索力狀態(tài)的監(jiān)測是重點內(nèi)容之一。本試驗的索力監(jiān)測采用前述索力監(jiān)測系統(tǒng)進行，監(jiān)測結果( 左邊跨拉索) 如圖5 所示。結果表明:在結構對稱的位置上，斜拉索索力較為接近，與理論計算值的吻合程度也較好。這同時也表明本試驗采用的壓力環(huán)傳感器測試索力的方法可行。

圖4 主梁撓度曲線圖

圖5 斜拉索索力對比值

3 結論

以某虛擬的獨塔斜拉索為原型，根據(jù)相似比原理，設計制作了獨塔斜拉橋試驗模型。該模型基于損傷識別目的，可以滿足多重試驗的要求。主梁采用分段拼裝方式，每一節(jié)段采用頂板、腹板螺栓連接的方式，通過更換不同厚度的栓接板，可以方便的模擬斜拉橋結構不同位置、不同程度的損傷情況，從而可以方便的進行損傷識別的模型試驗研究。試驗模型對加載系統(tǒng)進行了改造，可以實現(xiàn)對模型橋進行均勻加載，較好的與實際的情況吻合。同時創(chuàng)造性采用了壓力環(huán)傳感器對斜拉索索力進行的監(jiān)測，對實際斜拉橋索力的監(jiān)測提供了一種新的思路和新的方法。此外。對模型進行了詳細的靜力測試，實測結果與理論計算值吻合程度較好，表明該試驗模型較好的滿足了相似比，為今后的動力測試以及損傷識別試驗研究奠定了良好的基礎。

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