大跨鋼桁梁懸索橋靜載試驗工況優化設計

鄒云華 施宏侶 賴敏芝 黃新明

(1.湖北交投智能檢測股份有限公司 武漢 430104; 2.湖北交通職業技術學院公路與軌道學院 武漢 430079)

懸索橋以其結構形式優美、跨越能力突出等優點廣泛應用于跨江海、山區、峽谷的橋梁設計[1-3]。對大跨徑橋梁進行承載能力評定,可全面掌握結構強度和剛度分布規律,為橋梁后期運營、養護提供依據,是橋梁建設中重要的一環。成橋荷載試驗是檢驗橋梁承載能力最直觀有效的方法。隨著懸索橋建設需求的增大,如何快速、精準、高效地對這類大跨懸索橋進行成橋荷載試驗對橋梁建設者提出新的挑戰。目前大多數合并優化研究都是針對普通橋梁[4],少部分針對斜拉橋[5-6],針對懸索橋的研究內容極少,但大跨懸索橋結構復雜,測試參數眾多,試驗工況多,加載車輛多,耗時耗力,正是亟待優化的重要橋型。

本文以白洋長江公路大橋成橋荷載試驗項目為研究背景,對其進行有限元模擬計算分析后,擬結合該類型橋梁受力特點,在保證測試內容齊全的前提下,對該橋各控制截面的內力與位移影響線進行對比分析,將影響區域相近的控制參數合并為一個工況,并通過加載分級、調整加載順序,避免加、卸載過程時可能出現的超限情況。通過該方法對加載工況進行優化,將多個靜載試驗工況合并為一個工況進行試驗,以提高加載效率,縮短現場試驗時間。在此基礎上,對比實測數據與理論計算值,以驗證該方法的實用性。

1 工程概況

白洋長江公路大橋主橋為1 000 m雙塔單跨鋼桁梁懸索橋,主梁采用鋼桁加勁梁,矢跨比為1/9,主索中心距為36.0 m,采用平面索布置,全橋共65對雙吊索,吊點標準間距為15.0 m,主塔中心線至近吊點間距為20.0 m。鋼桁加勁梁由主桁架、橫向桁架及上、下平聯組成,主桁采用華倫式桁架,橫向共2片主桁,桁高7.5 m,標準節段節間長7.5 m。主塔為牌樓造型門形框架結構,北塔塔高142.5 m,南塔塔高151 m。

橋面系結構采用鋼-混凝土組合梁,全寬33.5 m,整幅設計,為支撐于鋼桁梁橫梁上弦桿頂面的多跨連續結構,支點處設板式橡膠支座,聯間設置80型梳齒板伸縮縫。塔與加勁梁通過塔連桿連接,主梁與主塔橫向設置橫向抗風支座,主纜跨中設置中央短斜索(中央扣)形成纜梁固結。

大橋設計標準為公路-I級,雙向六車道。大橋橋型布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖(單位:cm)

2 有限元模型

由于結構自重影響著懸索橋的結構剛度,因此建模時應全面考慮橋梁恒載重量。一期恒載主要包括主纜、吊索、加勁梁、螺栓、索夾等;二期恒載主要包括橋面系鋼縱梁、橫系梁、橋面板、二期鋪裝、防撞護欄、檢修道、路燈與管線等附屬結構。恒載按實際統計重量取值。

在靜載試驗前,考慮大橋幾何非線性,采用有限元軟件midas Civil對橋梁結構建立空間計算模型。主塔、鋼桁加勁梁均采用梁單元模擬,主纜、吊索采用索單元模擬,主纜與主塔之間的連接采用主從節點模擬;鋼桁加勁梁與主塔之間的連接是帶銷軸的塔連桿,采用桿單元模擬;采用彈性連接模擬橋面系結構鋼縱梁及鋼橫系梁與鋼桁梁橫梁上的支座;橫向抗風支座采用彈性連接模擬;在主塔承臺底部、主纜錨固點處固結,在散索鞍鞍底采用釋放Ry方向轉動剛度的一般支撐進行模擬,全橋離散為7 791個節點,12 935個單元。

3 控制截面選取

根據設計活載作用下結構的計算結果可知,加勁梁主要以受軸力為主,最大軸力發生在距跨中30 m處,上弦桿最大壓力為-3 260.1 kN,下弦桿最大拉力為3 000.1 kN;加勁梁最大豎向位移發生在主跨L/4截面附近(距跨中225 m),為1.377 m;主塔最大彎矩發生在塔腳處,為140 340.7 kN·m;白洋側和宜都側塔頂最大縱向位移分別為8.09,8.12 cm。

根據橋梁結構的最不利受力原則和代表性原則,并結合本橋結構特點及JTG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗規程》[7]要求,選取A、C截面(鋼桁梁應變),E截面(鋼桁梁最大扭轉反應),H、J截面(主塔應變),B、D截面(鋼桁梁撓度),G、F截面(主纜撓度),DN、DS截面(梁端縱向位移),FN、FS截面(塔頂縱向位移)、M、N截面(主纜錨跨索股索力),DS01、DS65吊索(最不利吊索索力增量),DS24、DS42吊索(吊索活載索力最大增量)等共計19個截面作為本次靜載試驗的控制截面,試驗控制截面示意見圖2。

圖2 控制截面圖(單位:m)

4 試驗工況優化

4.1 影響線分析

傳統靜載試驗工況通常對單一控制截面影響線進行布載,這樣布載雖能滿足規范要求,但往往一次只能滿足1～2個參數的測試要求,造成測試工況過多,既耗時費力又不利于現場組織加載,亟待優化。對這類大跨鋼桁梁懸索橋,應根據有限元模型計算結果,提取各控制截面內力及位移影響線,并對影響線進行對比分析,根據荷載效應等效原將把影響線中影響大、區域相近的各個參數在初步布載中合并考慮,盡量使各個參數的加載效率控制在0.85～1.05之間。

對影響線進行對比分析后,可知主塔塔頂(FN、FS截面)縱向位移、主塔塔底(J、H截面)最大彎矩、主纜錨跨(M、N截面)索股索力增量的影響線區域一致,見圖3;鋼桁梁最大撓度(B截面)、梁端縱向位移(DN截面)、主纜最大撓度(F截面)影響線區域接近,見圖4;鋼桁梁最大撓度(D截面)、梁端縱向位移(DS截面)影響線區域接近,見圖5。

圖3 塔頂縱向位移、主纜索力、主塔彎矩影響線圖

圖4 鋼桁梁、主纜最大撓度、DN梁端縱向位移影響線圖

圖5 鋼桁梁最大撓度、DS梁端縱向位移影響線圖

4.2 初步布載

初步布載原則:①確定每一排車的最小間距(避免非本工況控制參數在加載過程中超限);②對稱結構采用對稱加載方式,驗證實際結構受力的對稱性;③為方便現場布載,車輛方向與間距盡量保持一致。

本次加載車輛采用350 kN雙后軸載重車進行加載,前軸距中軸3.8 m,中軸距后軸1.4 m,前軸重70 kN,中、后軸各重140 kN。根據圖3～5影響線情況,先對這3種工況進行初步加載,將加載車盡量布置在影響線區域大的位置?？紤]到本橋為鋼桁梁結構,為減小鋼結構局部效應影響,可沿控制截面對稱布置,將控制截面預留出來,這樣可以避免直接加載導致控制截面出現內力突變,減小因現場布置偏差造成數據采集誤差,提高試驗結果的準確性與可靠性。初步布載見圖6～圖8。

圖6 H、J、M、N、FN、FS截面載位布置圖

圖7 B、DN、F截面載位布置圖

圖8 D、DS截面載位布置圖

4.3 工況優化

經過初步布載,大致確定了主塔縱向位移、主塔最大彎矩、主纜錨跨索股力增量、主梁最大位移、梁端縱向位移等控制參數的主要工況載位布置情況,對于影響效應區域較小的索力增量、跨中主纜撓度等參數控制工況,則可以通過局部調整加載車的位置來實現。按圖6布載方式,在偏載載位時吊索活載索力最大增量(DS24、DS42)加載效率達到0.98,滿足規范要求;跨中主纜撓度(G截面)加載效率達到0.90,滿足規范要求;最不利吊索索力增量(DS01、DS65)加載效率只有0.44,不滿足規范要求,但是對其影響線進行分析,可知影響最大效應區域集中在DS01、DS65索附近,在兩吊索附近單獨各加1排車,加載效率為0.41,由此很自然地可以想到在圖6偏載載位的基礎上將原載位兩側最邊上各1排車移到最不利吊索索力增量最大效應區域,最不利吊索索力增量加載效率可達到0.86,同時最邊上車輛位于原控制參數效應影響較小區域,對原控制參數加載效率影響較小,原控制參數效應均可滿足要求,H、J、M、N、FN、FS、DS01、DS65、DS24、DS42截面載位布置圖見圖9。

圖9 H、J、M、N、FN、FS、DS01、DS65、DS24、DS42截面載位布置圖

4.4 最終結果

將以上工況優化合并后,還應注意是否有加載車處于影響線負值區域,應重點關注分級加載下各截面內力或位移是否存在超限情況。根據圖9中的載位布置圖可知,吊索活載索力最大增量(DS24、DS42)和跨中主纜撓度(G截面)工況作用下,有車輛處于影響線負值區域,可通過調整分級加載順序的方式進行優化,避免出現加載過程中的超限情況。鋼桁梁應變(A、C截面)、鋼桁梁最大扭轉反應(E截面)影響線集中于控制截面附近,不便與其他控制參數進行合并,可單獨設置工況進行加載。

通過以上方式進行工況合并優化后,現場采用7個試驗工況完成了全部19個控制截面23個控制參數的加載試驗,3 d完成現場靜載試驗,極大地節約了人員投入數量和設備投入時間,既完整全面地檢驗了鋼桁梁懸索橋的實際工作狀態,又極大地提高了加載效率,縮短了現場試驗時間。最終優化的工況及其對應截面的效率系數見表1。

5 結語

本文以白洋長江公路大橋為例進行大跨徑鋼桁梁懸索橋靜載試驗研究,結合該橋型受力特點,根據效應等效與影響線相似原理對試驗工況進行合并優化,現場采用7個試驗工況實現了19個受力不利控制截面的23個控制參數的加載試驗,得到以下結論。

1) 通過對各控制參數影響線的對比分析,根據影響線相似原理合并影響區域相近的影響線,主塔縱向位移、主塔最大彎矩、主纜最大索力增量控制工況可以合并優化成一個工況,主梁(纜)的最大撓度與梁端縱向位移控制工況可以合并優化成一個工況,避免加載車在同一區域重復加載。

2) 在偏載工況下,可以通過移動端部加載車的位置,在加載車數量不變的情況下使最不利吊索力增量、活載索力最大增量、主梁(纜)跨中撓度等參數試驗效率也滿足要求。

3) 重點關注加載過程及分級加載時各截面內力或位移是否超限,若存在車輛處于影響線負值區域,可通過調整分級加、卸載順序進行優化,避免加載過程中出現超限情況。

4) 經對比發現,現場實測數據與理論計算值吻合良好,表明該優化方法滿足試驗要求,可為同類型橋梁靜載試驗提供參考。