混凝土箱梁斜拉橋極限狀態(tài)研究

高 攀 譚婷婷

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000)

混凝土箱梁斜拉橋極限狀態(tài)研究

高 攀 譚婷婷

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000)

根據(jù)濟(jì)南黃河大橋的實(shí)際參數(shù)，建立了該斜拉橋有限元模型，分析了橋梁的極限狀態(tài)，提出了以極限狀態(tài)為基礎(chǔ)的預(yù)警指標(biāo)體系，解決了該橋預(yù)警體系缺失的問題。

斜拉橋，有限元模型，極限狀態(tài)，預(yù)警系統(tǒng)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，斜拉橋等大跨度橋梁建設(shè)在我國蓬勃發(fā)展。同時(shí)斜拉橋由于承受著日益繁重的交通任務(wù)，斜拉橋損壞或者坍塌的事故時(shí)有發(fā)生。本文主要依托濟(jì)南黃河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^Midas建立該橋的有限元模型。根據(jù)JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中對橋梁極限狀態(tài)下荷載作用的規(guī)定，利用Midas進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建立黃河大橋的預(yù)警系統(tǒng)。

1 工程背景

濟(jì)南黃河大橋主橋?yàn)?0 m+94 m+220 m+94 m+40 m五跨連續(xù)混凝土箱梁斜拉橋，形式為全漂浮體系，雙索面密索結(jié)構(gòu)。索塔采用萬能桿件拼裝的腳手架逐段澆筑，主梁采用懸臂澆筑法。主梁采用C45混凝土，主梁的縱、橫、豎向均有預(yù)應(yīng)力束筋，索塔采用C40混凝土，索塔為縱向A形塔墩，橫向?yàn)殚T式構(gòu)造，每個(gè)索塔在一個(gè)平面內(nèi)的拉索為11對，呈扇形分布，兩側(cè)對稱，主梁上拉索錨固點(diǎn)間隔距離為8 m，另外在索塔中心處有一根拉索，全橋共46對拉索，其中索塔中心處拉索編號為0，其他拉索距離索塔最近編號為1，最遠(yuǎn)為11，依次編號。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及優(yōu)化

通過Midas根據(jù)橋梁的實(shí)際參數(shù)建立有限元模型，有限元模型建立后還需要進(jìn)行模型修正，才能滿足斜拉橋合理的成橋狀態(tài)。斜拉橋的合理成橋狀態(tài)有以下幾個(gè)方面的含義：1)主梁應(yīng)力在可行范圍內(nèi)且分布均勻。2)索塔位移很小，滿足橋梁安全性儲備。3)斜拉索索力分布均勻。4)主梁線性合理，滿足斜拉橋使用要求。

混凝土斜拉橋由于受混凝土工作性能的影響，成橋狀態(tài)主要以控制主梁應(yīng)力和索塔位移為主、主梁線性和拉索索力為輔。為了確定最終合理的成橋狀態(tài)，有限元模型建立后對其進(jìn)行索力優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整之后的模型如圖1所示。根據(jù)分析運(yùn)行結(jié)果顯示模型的應(yīng)力、彎矩、位移、拉索索力等各項(xiàng)參數(shù)均符合要求。因此該有限元模型能夠很好的體現(xiàn)濟(jì)南黃河大橋合理的成橋狀態(tài)。

2.2 橋梁極限狀態(tài)的定義

JTG D60—2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中根據(jù)橋梁承受各種荷載的大小將橋梁分為正常使用和承載能力兩種極限狀態(tài)。

橋梁的正常使用極限狀態(tài)體現(xiàn)了橋涵的適用性和耐久性。橋梁正常使用極限狀態(tài)：對應(yīng)于橋涵結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)限值的狀態(tài)，包括影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件正常使用的開裂、變形等。承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了橋涵的安全性。橋梁承載能力極限狀態(tài)：對應(yīng)于橋涵結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形或變位的狀態(tài)，包括構(gòu)件和連接的強(qiáng)度破壞、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)傾覆、疲勞破壞等。

2.3 橋梁極限狀態(tài)分析

1)結(jié)構(gòu)指標(biāo)選取及影響線。由于橋梁承受的活載主要是車輛移動(dòng)荷載，因此進(jìn)行極限狀態(tài)分析之前必須選取合理的結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)，并且通過相關(guān)指標(biāo)的影響線進(jìn)行最不利荷載加載，得出橋梁極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)指標(biāo)閾值。本文選取跨中撓度、最外側(cè)邊跨拉索索力(11號拉索)、索塔塔頂位移為結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)。車輛荷載采用國家公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01—2003)的車輛荷載來模擬，均布荷載取10.5 kN/m,橋梁跨度大于50 m，集中荷載取360 kN/m。

2)正常使用極限狀態(tài)。根據(jù)JTG D60—2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中的規(guī)定，正常使用極限狀態(tài)分析時(shí)采用恒載、車輛荷載及溫度荷載的組合方式進(jìn)行分析，其中恒載是永久作用，其他荷載為可變荷載。將表1中的荷載按照前面所述的各種最不利加載方式進(jìn)行加載。利用Midas軟件進(jìn)行分析處理可得表2中的結(jié)果，其中跨中撓度向下為正，索塔位移為縱向，向跨中偏移為正，下同。

表1 正常使用極限狀態(tài)下作用在橋梁上的荷載

表2 正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)值

通過表2，可以建立斜拉橋正常使用狀態(tài)下的各指標(biāo)預(yù)警值，如表3所示。

表3 斜拉橋正常使用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)指標(biāo)預(yù)警值

3)承載能力極限狀態(tài)。JTG D60—2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中的規(guī)定，橋梁承載能力極限狀態(tài)下所受的基本荷載組合為：

其中，Gik為永久荷載;Q1K為車輛荷載;Qjk為溫度荷載。

根據(jù)規(guī)范中對各參數(shù)的規(guī)定，各參數(shù)取值如下:

γ0=1.1,γGi=1.2,γLj=1,γQj=1.4,γL=1,ψc=0.75,γQ1=1.4。

由上述公式和系數(shù)可以得出承載能力極限狀態(tài)的荷載組合,如表4所示。

表4 承載能力極限狀態(tài)荷載組合

荷載組合的加載方式與正常使用極限狀態(tài)的加載方式相同，不再贅述。結(jié)構(gòu)各指標(biāo)的響應(yīng)值如表5所示。

由表5可以得出在承載能力范圍內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)各指標(biāo)的閾值，如表6所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)位于表中的各項(xiàng)指標(biāo)在閾值范圍內(nèi)時(shí)，橋梁所受荷載可能會影響到橋梁的正常使用，但仍處于橋梁的承載能力范圍之內(nèi)。

結(jié)合表3和表6，可以為濟(jì)南黃河大橋建立兩種極限狀態(tài)下的預(yù)警系統(tǒng)，如表7所示。

表5 承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)

表6 承載能力極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)警值

表7 濟(jì)南黃河大橋健康預(yù)警系統(tǒng)

3 結(jié)語

本文通過對濟(jì)南黃河大橋的有限元模型建模分析過程，結(jié)合相關(guān)規(guī)范中橋梁正常使用和承載能力極限狀態(tài)下的荷載規(guī)定，給出黃河大橋在兩種極限狀態(tài)下的指標(biāo)響應(yīng)，建立黃河大橋的極限狀態(tài)預(yù)警體系。

[1] 歐進(jìn)萍.重大工程結(jié)構(gòu)智能傳感網(wǎng)絡(luò)與健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國科學(xué)基金,2005,2(3):24.

[2] 張建民,肖誠汝.斜拉橋合理成橋狀態(tài)確定的一階分析法[J].力學(xué),2003,1(5):21.

[3] 王玉軍.歷史上的塌橋事件橋梁事故輯[J].交通建設(shè)與管理,2007,6(9):33.

[4] 何旭輝.南京長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)博士學(xué)位論文,2004.

[5] 范劍鋒.橋梁健康狀態(tài)的智能評估方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2006.

[6] 袁 穎.橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別方法的相關(guān)問題研究[D].大連：大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2005.

[7] 鄭皆連.我國公路橋梁安全狀況及對策[J].西部交通科技, 2007,2(5):10.

[8] 嚴(yán) 斌，楊孚衡，蘇木標(biāo).蕪湖長江大橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)鐵道建筑[J].鐵道建筑，2005,3(6):16.

[9] 徐 良,過靜珺,戴連君.基于GPS(RTK技術(shù))的虎門大橋位移實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析[J].工程勘查,2001,7(1):27.

[10] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001:50.

[11] JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

On ultimate status of concrete box girder cable-stayed bridge

Gao Pan Tan Tingting

(CollegeofCivilEngineeringandWaterConservancy,ShandongUniversity,Jinan250000,China)

According to the factual parameter of Huanghe Bridge in Jinan, the paper establishes the finite element model for the cable-stayed bridge, analyzes its ultimate status, and points out the warning index system based on the ultimate status, so as to solve the defects of the warning system of the bridge.

cable-stayed bridge, finite element model, ultimate status, warning system

1009-6825(2017)03-0154-02

2016-11-02

高 攀(1989- )，男，在讀碩士； 譚婷婷(1992- )，女，在讀碩士

U448.27

A