關于斜拉橋結構使用性能評價的有限元建模

何蘇林 孟凡森 何 榕

運營階段的大跨度斜拉橋,承受著日益增大的車輛荷載的作用,其結構的健康識別及安全評價也日益重要。以往的橋梁結構的使用性能評價多依賴于靜載試驗,而由于靜載試驗進行時需要中斷交通,且會產生一些不可恢復的損傷,對大跨度的斜拉橋使用也會造成一定的危害性,所以橋梁養管部門對這一項內容是慎之又慎。利用橋梁的自振特性進行橋梁結構使用性能的評價由于其可以彌補靜載試驗的眾多缺陷,而成為國內橋梁界專家研究的熱點。安徽省交通科學研究所在這方面也做了大量探索工作。其大體做法是根據成橋階段橋梁的狀況與其關鍵參數建立簡化的大跨度斜橋的結構計算有限元模型,測取關鍵的基準數據,以實測數據對模型進行修正。

1 計算模態分析理論

斜拉橋的有限元模擬應針對不同的分析層次與分析目標采取相應的有限元建模策略。本文中的斜拉橋有限元結構計算模型是以結構模型修正、健康監測損傷預警與損傷識別為目標,根據健康監測參數建立簡化模型。

建模總的原則都是結構的抽象和簡化應保持結構的剛度和質量的等效性及其空間分布的一致性,支承條件要較真實地反映結構的工作行為。具體講,必須考慮如何進行各類構件的簡化及其物理參數的選取,以及各類邊界條件的簡化。對動力模型而言,上述三點的處理是否恰當至關重要。

一座橋梁從設計伊始到竣工使用都一直伴有結構計算的過程,一般來說這些過程都有一個定勢,是人為可控的,期限也是較短的。而對于運營期的橋梁,對于不同時期也應定期進行結構計算,但該時期所建立的結構計算模型,相對來說除結構形式與原結構的形式一樣外,已經與原來的橋梁有很大的區別,特別是隨著使用時間的延長,將會有許多不定因素出現,但是經過多年對于橋梁的探索發現還是有規律可循的。安徽省交通科學研究所在這方面也做了大量的探索,營運期間橋梁結構計算模型的建立不同于設計與施工階段結構計算模型:橋梁在使用過程中的模型修正、損傷識別為目標的有限元建模中,一方面為了能夠準確計算橋梁結構的自振頻率與振型等整體動力特性,在斜拉橋的動力分析中,考慮荷載方向的隨機性,其結構行為表現出較強的耦合性,尤其是扭轉和橫向彎曲振型經常強烈耦合,其計算模式必須采用空間模型;另一方面由于該過程中的模型將會伴隨橋梁漫長的使用過程,對數據及計算過程應做到能盡量簡化;同時橋梁使用過程中材料的性能也會老化,出現損傷,即其實常數與結構形式也會發生變化,在建模的過程中就應考慮實時、動態的修改。

2 建模方法的改進與模型修正

建一座大型橋的模型是項復雜而繁瑣的工作,模型修正的過程也不好掌握。如何做到只是修改幾個數據就能達到模型修正的效果;如何將多變的主梁形式及無法統一的索距統一到一個命令流中,只需要改變幾個數據另外一座大跨斜拉橋的結構計算模型就會建立起來。由前一節建模過程及計算結果數據分析,及主梁的多變形式、各橋不一樣的索距,以各構件的實常數、雙主梁的間距與索距為變量,以某座橋梁載體建立模型。這樣就形成了現在的針對該類大跨度斜拉橋的建模思路。

3 應用實例

3.1 大橋概況

該橋主橋為雙塔雙索面五跨連續半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋,全長 1 040 m,跨徑布置為(50+215+510+215+50)m。主梁為全焊接扁平流線形閉口鋼箱梁,梁高3.0 m,行車道寬26.4 m,總寬30 m;鋼箱梁內設橫隔板,標準間距3.75 m,同時設置有實體式或桁架式縱隔板。索塔采用分離上塔柱倒Y形索塔,設計有三道橫梁。斜拉索采用多股環氧全涂無粘結預應力鋼絞線,標準索距為15 m。全橋共設6對豎向支座,其中主塔處豎向支座兼有縱向限位功能;過渡墩及輔助墩處豎向支座兼有抵抗部分橫向力功能;橋塔處設有兩對橫向抗風抗震支座。平面與立面示意圖如圖1所示。

3.2 斜拉橋建模

1)斜拉索建模。斜拉索用空間桿單元Link10模擬,模擬其只受拉不受壓的特性。斜拉索的初拉力通過輸入單元初應變來實現,其值采用實測值,并用平均的方法保證其對稱性。斜拉索采用和實橋一致的雙幅面,全橋斜拉索單元128個。2)鋼箱梁建模。采用ANSYS單元庫中的空間梁單元Beam4模擬,其中截面高度3 m,截面寬度13.20 m,頂板與底板縱向U形肋各自采用等截面面積,平均厚度的鋼板近似模擬。主梁采用雙主梁法的空間“框架式”模型,主梁單元180個。3)橫隔梁建模。鋼箱梁主梁處橫向每隔3.75 m設置一橫隔梁,橫隔梁為采用T形斷面的剛臂單元,用空間梁單元Beam4模擬,橫隔梁單元 364個。4)橋塔、墩和橫梁。混凝土橋塔、墩和橫梁采用實際斷面,用空間梁單元Beam4模擬。索塔、輔助墩及過渡墩基礎均按剛性計算。單箱三室鋼箱梁和T形梁等效的橫隔板的組合反映了斜拉橋主鋼梁的縱向、橫向撓曲剛度和抗扭剛度,大大增加了動力計算的精度。橋塔、墩和橫梁共計單元380個。5)邊界條件。邊界條件方面,對于3,4號主墩,因為該橋為半漂浮體系,縱向擋塊在有地震主梁浮動時才發揮作用,所以在求解自振頻率及振型時可不考慮其影響。對于橫向水平擋塊,由于主梁與橫向擋塊之間有間隙,且擋塊與主梁表面比較光滑,故主梁在豎向及轉動時不受約束,但對于主梁橫向振動,需要考慮擋塊的作用,不能處理為橫向完全自由,故在建模時采用橫向單向約束。對于1,2,5,6號主墩,考慮在豎向設置了盆式支座,豎向約束外,其他方向不受約束,所有邊墩和輔墩底均采用固結。6)荷載。橋面鋪裝前一期恒載。

在建模過程中對主梁的處理與索距的處理采用的是第三章中提出的建模思路(見表1),對于該橋應用變雙主梁間距與變索距。應用數組與條件語句實現。根據該橋的實際情況建立的模型如圖2所示。

表1 結構建模參數

表2 計算模態分析結果 Hz

4 結語

1)在本文中提出了針對營運期的大跨度斜拉橋建立動態結構計算模型(見表2);2)提出針對該類主梁的斜拉橋建立結構計算模型;3)在實橋上應用后基本可以滿足使用要求;4)應用的橋梁使用時間較短;在后期的使用還有待于觀察與不斷改進。

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