下承式拱橋吊桿軸力監(jiān)測與模擬分析研究

劉龐砣，勾風(fēng)山，張俊平，陳炳聰

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州510006；2.廣州廣大工程檢測咨詢有限公司，廣州510006）

0 引言

下承式、中承式拱橋的吊桿，是把橋面系的恒載與活載傳遞到拱肋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，它的使用性能正常與否，關(guān)系到橋梁的整體壽命和安全運(yùn)營。吊桿同時(shí)受到溫度、車輛荷載等因素的共同作用，導(dǎo)致其受力比較復(fù)雜且難以準(zhǔn)確預(yù)測，因此吊桿是下承式拱橋比較薄弱、容易失效的環(huán)節(jié)，一些工程事故如宜賓小南門金沙江大橋吊桿斷裂也說明了這一點(diǎn)。目前，我國相當(dāng)一部分拱橋進(jìn)入吊桿更換的高峰期，但在吊桿的運(yùn)營、維護(hù)、更換、修復(fù)過程中，大多依據(jù)主觀判斷，缺乏監(jiān)測、模擬數(shù)據(jù)的支持，也未能形成一套完善的準(zhǔn)則［1－2］?；诖?，本文對某下承式拱橋吊桿內(nèi)力進(jìn)行了監(jiān)測與模擬分析，為今后吊桿可靠度評估積累數(shù)據(jù)，同時(shí)也為實(shí)際工程提供參考。

1 工程實(shí)例簡介

某大橋?yàn)閱慰?28m的鋼管混凝土剛架系桿拱橋，竣工日期為2005年，設(shè)計(jì)荷載汽—超20、掛—120級，主跨128m，全橋共設(shè)2×23對吊桿，吊點(diǎn)中心間距為5m，采用85φ7鍍鋅高強(qiáng)度低松弛鋼絲組成，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670MPa，吊桿上下端均采用可調(diào)式冷鑄鐓頭錨，吊桿編號見圖1。該橋位于城市過境干線上，交通較為繁忙，通行重車較多，據(jù)統(tǒng)計(jì)白天最大車流量可達(dá)2萬輛。在如此大的交通流量的情況下，作為拱橋的關(guān)鍵受力構(gòu)件的吊桿能否正常服役成為備受關(guān)注的問題，為此，我們對吊桿軸力進(jìn)行了監(jiān)測與模擬分析。

圖1 橋梁立面圖/cm

2 實(shí)測吊桿軸力日、軸變化分析

2.1 吊桿軸力24小時(shí)變化情況

吊桿軸力長期監(jiān)測采用振動頻率法，通過安裝的加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)。軸力監(jiān)測的采樣頻率可分為2種：一種是無人值守的情況下設(shè)定采樣頻率，另一種是特殊情況下可進(jìn)入人工值守模式采樣頻率，人為而定。因?yàn)?＃及12＃吊桿分別位于該拱橋的L/4及L/2位置處，其軸力變化具有較全面的代表性，監(jiān)測時(shí)以北側(cè)吊桿為主，吊桿軸力值日變化趨勢圖選取2012年6月25日軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)，見圖2～3。

圖2～3表明軸力在一天內(nèi)的變化趨勢為：夜間軸力值較低，白天軸力值處于相對較高值，白天軸力值與夜間軸力差值一般不會超出100kN，這與溫度的變化和車流量變化有很大的關(guān)系，不同吊桿在同一時(shí)間段內(nèi)的軸力值及其變化規(guī)律基本一致，在上午9點(diǎn)之后，軸力呈緩慢上升趨勢，至下午3點(diǎn)以后，軸力有下降趨勢。

圖2 6?！眰?cè)實(shí)測軸力日變化趨勢圖

圖3 12?！眰?cè)實(shí)測軸力日變化趨勢圖

2.2 吊桿軸力一周變化情況

現(xiàn)以典型的6＃、12＃北側(cè)吊桿為例，吊桿索力值周變化趨勢圖選取2012年7月23日—7月30日軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)，見圖4～5。

圖4 6?！眰?cè)實(shí)測軸力日變化趨勢圖

圖5 12＃—北側(cè)實(shí)測軸力日變化趨勢圖

2.3 吊桿軸力最值1周變化情況

現(xiàn)以典型的6＃、12＃北側(cè)吊桿為例，吊桿軸力值日變幅趨勢圖選取2012年7月1日—7月31日軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)，日最小值為該吊桿一天內(nèi)的最小索力值、日均值為該吊桿一天內(nèi)的平均值、日最大值為該吊桿一天內(nèi)的最大軸力值，見圖6～7。

從上圖看軸力日變幅保持在一定的范圍內(nèi)，日最大值與日最小值的差值與日平均值的比例一般不會超過15%。

圖6 6?！眰?cè)實(shí)測軸力日變幅趨勢圖

圖7 12＃—北側(cè)實(shí)測軸力日變幅趨勢圖

3 模擬吊桿軸力與實(shí)測分析

3.1 有限元模擬

建立該橋有限元計(jì)算模型，見圖8，并提取吊桿軸力影響線，之后選取不同的荷載譜對影響線進(jìn)行加載，最終得到模擬的應(yīng)力歷程曲線［3－5］，與實(shí)測的應(yīng)力歷程曲線進(jìn)行比較分析。其中，荷載譜為選取上海模型車輛荷載頻值譜、廣州市高架橋模型車輛荷載頻值譜、天津市模型車輛荷載頻值譜［6－8］，以下簡稱上海、廣州、天津荷載譜來進(jìn)行分析，分別為見表1～3。

圖8 大汾北特大橋有限元計(jì)算模型

表1 上海模型車輛荷載頻值譜

表2 廣州市高架橋模型車輛荷載頻值譜

表3 天津市模型車輛荷載頻值譜

3.2 吊桿軸力歷程曲線模擬

建立該依據(jù)隨機(jī)模擬函數(shù)理論，選取不同的荷載譜對影響線進(jìn)行加載，可得模擬軸力歷程曲線，并與實(shí)測歷程曲線進(jìn)行比較分析，以6＃北側(cè)為例，見圖9～11。

圖9 上海荷載頻值譜下6?！眰?cè)吊桿模擬軸力歷程曲線

圖10 廣州荷載頻值譜下6?！眰?cè)吊桿模擬軸力歷程曲線

圖11 天津荷載頻值譜下6?！眰?cè)吊桿模擬軸力歷程曲線

3.3 實(shí)測吊桿軸力歷程曲線

建立該依據(jù)隨機(jī)模擬為了進(jìn)一步確定模擬索力的可靠性，需要一組實(shí)測軸力歷程曲線與之對比，以6＃北側(cè)的吊桿為例，實(shí)測軸力歷程曲線見圖12。

比較圖9～12可以看出，模擬結(jié)果是可靠的，但不同荷載譜對模擬結(jié)果影響較大，一些荷載譜如廣州譜受交通管理措施的影響明顯偏小，采用天津荷載譜的模擬結(jié)果更接近于實(shí)際情況，這可能是因?yàn)樘旖蚝奢d譜交通量調(diào)查路段選為外環(huán)線路段，與該橋路段所處的外環(huán)路段車流運(yùn)營更加接近，且天津市荷載譜是在2008年統(tǒng)計(jì)得到的荷載譜，是距離現(xiàn)在年份最近的荷載譜，在一定程度上來講，天津市的荷載譜可以用于并預(yù)測評估今后吊桿的壽命及可靠度。

圖12 6?！鯒U北側(cè)部分實(shí)測應(yīng)力歷程曲線

依據(jù)上圖，廣州市荷載譜模擬結(jié)果比實(shí)測小，天津市荷載譜模擬的結(jié)果與實(shí)測的接近，且軸力幅值變化與實(shí)測結(jié)果量值上不超過5%，但模擬與實(shí)測結(jié)果的變化態(tài)勢不太一致，實(shí)測結(jié)果隨時(shí)間穩(wěn)增，原因其實(shí)是溫度影響，為了進(jìn)一步了解溫度的效應(yīng)影響，所以有必要對溫度進(jìn)行剝離研究。

4 恒載、溫度效應(yīng)的剝離

4.1 溫度效應(yīng)的剝離

溫度剝離的思路是：在溫度相對較高的月份的某一時(shí)刻，采用短暫性的封閉交通來測得吊桿的軸力，在溫度相對較低的月份的某一時(shí)刻，采用短暫性的封閉交通再次對吊桿的軸力進(jìn)行實(shí)測，兩次軸力間的差值，即是吊桿的純溫度效應(yīng)。另外一種剝離思路是：在溫度相對較高的某一月份一整月的某一時(shí)間段內(nèi)，測得吊桿的軸力值，然后取平均值，在溫度相對較低的某一月份一整月的某一時(shí)間段內(nèi)，再次測得吊桿的軸力值，然后取平均值。

該監(jiān)測系統(tǒng)是在2012年3月末完成的，尚未能對溫度最低月份的1月份進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析，需要來年1月份才能進(jìn)行監(jiān)測，所以截止目前為止，溫差較大的月份分別取4月份與7月份。以下取4月份與7月份這一整月內(nèi)在上午10：00至下午17：00的實(shí)測軸力平均值，因?yàn)槭情L達(dá)一個月的連續(xù)實(shí)測的平均值，可近似認(rèn)為活載效應(yīng)在這一時(shí)間段內(nèi)是一致的。即活載位于同一水平線上，而10：00～17：00也是溫度變化較明顯的時(shí)間段。以6＃北側(cè)為例，見圖13～14。

從上表看，4月份與7月份的溫度變化趨勢與軸力變化趨勢大致一致，吊桿的軸力隨著溫度的升高而升高，當(dāng)溫差為5℃左右，而相應(yīng)的軸力變化為30kN左右，占活載吊桿軸力的15%～20%，可見溫度效應(yīng)是很大的。

圖13 4、7月份吊桿平均軸力變化趨勢圖

圖14 4、7月份平均溫度變化趨勢圖

4.2 恒載效應(yīng)的剝離

吊桿在活荷載作用下的軸力會發(fā)生較大的變化，從而引起應(yīng)力幅發(fā)生變化，而應(yīng)力幅與吊桿壽命有密切的關(guān)系。因此有必要研究恒載、活載單獨(dú)作用下的吊桿內(nèi)力，得到吊桿恒活比。

進(jìn)行恒、活荷載剝離的思路是：采用短暫性的封閉交通來測得吊桿的軸力，開放交通后再進(jìn)行吊桿的軸力的實(shí)測，因前后實(shí)測吊桿所用的時(shí)間極短，可認(rèn)為開放交通前后的溫度基本無變化，兩次軸力間的差值，即是實(shí)測情況下純活載的荷載效應(yīng)。依據(jù)上述方法，實(shí)測典型吊桿的恒載、活載軸力見圖15。

圖15 典型吊索的恒載及最不利活載索力比較

圖15表明，恒載占結(jié)構(gòu)總體內(nèi)力的比重較大，而活載僅為恒載的30%左右，溫度上升5℃產(chǎn)生的吊桿軸力約占恒載吊桿軸力的5%～6%，這與大跨徑拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力特性也較為吻合。另一方面，鑒于拱橋吊桿的容許應(yīng)力并無明確的規(guī)范，一般多參照斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于斜拉索容許應(yīng)力小于0.4倍抗拉強(qiáng)度、活載應(yīng)力幅小于的0.05倍抗拉強(qiáng)度規(guī)定，根據(jù)實(shí)測結(jié)果換算，不同吊桿下活載應(yīng)力幅度均在70MPa以下，而恒、活載作用下吊桿的應(yīng)力均在200MPa以下，遠(yuǎn)小于容許應(yīng)力限值668MPa，說明容許應(yīng)力限值滿足其參照的斜拉橋規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文以某下承式剛架系桿拱為例，通過上述監(jiān)測與模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）影響吊桿軸力的因素有恒載、活載及溫度這3個方面，恒載在總軸力中所占比例較高，達(dá)70%；活載約占30%，溫度效應(yīng)是一個增量效應(yīng)，對吊桿內(nèi)力有較大影響。

（2）根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)來看，當(dāng)?shù)鯒U的軸力隨溫度升高而升高時(shí)，當(dāng)溫差為5℃左右，而相應(yīng)的軸力變化為30kN左右，占恒載吊桿軸力的5%～6%，占活載吊桿軸力的15%～20%。當(dāng)溫差進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，吊桿的軸力變化將進(jìn)一步加大。

（3）不同的荷載譜下模擬的主要控制因素是軸重、軸距以及所占的交通量比率，通過與實(shí)測進(jìn)行比較，天津市的荷載譜更接近實(shí)際情況，其軸力幅值變化與實(shí)測結(jié)果量值上不超過5%。

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