关于斜拉桥结构使用性能评价的有限元建模

2010-08-21何苏林孟凡森

山西建筑 2010年18期

何苏林孟凡森何榕

运营阶段的大跨度斜拉桥,承受着日益增大的车辆荷载的作用,其结构的健康识别及安全评价也日益重要。以往的桥梁结构的使用性能评价多依赖于静载试验,而由于静载试验进行时需要中断交通,且会产生一些不可恢复的损伤,对大跨度的斜拉桥使用也会造成一定的危害性,所以桥梁养管部门对这一项内容是慎之又慎。利用桥梁的自振特性进行桥梁结构使用性能的评价由于其可以弥补静载试验的众多缺陷,而成为国内桥梁界专家研究的热点。安徽省交通科学研究所在这方面也做了大量探索工作。其大体做法是根据成桥阶段桥梁的状况与其关键参数建立简化的大跨度斜桥的结构计算有限元模型,测取关键的基准数据,以实测数据对模型进行修正。

1 计算模态分析理论

斜拉桥的有限元模拟应针对不同的分析层次与分析目标采取相应的有限元建模策略。本文中的斜拉桥有限元结构计算模型是以结构模型修正、健康监测损伤预警与损伤识别为目标,根据健康监测参数建立简化模型。

建模总的原则都是结构的抽象和简化应保持结构的刚度和质量的等效性及其空间分布的一致性,支承条件要较真实地反映结构的工作行为。具体讲,必须考虑如何进行各类构件的简化及其物理参数的选取,以及各类边界条件的简化。对动力模型而言,上述三点的处理是否恰当至关重要。

一座桥梁从设计伊始到竣工使用都一直伴有结构计算的过程,一般来说这些过程都有一个定势,是人为可控的,期限也是较短的。而对于运营期的桥梁,对于不同时期也应定期进行结构计算,但该时期所建立的结构计算模型,相对来说除结构形式与原结构的形式一样外,已经与原来的桥梁有很大的区别,特别是随着使用时间的延长,将会有许多不定因素出现,但是经过多年对于桥梁的探索发现还是有规律可循的。安徽省交通科学研究所在这方面也做了大量的探索,营运期间桥梁结构计算模型的建立不同于设计与施工阶段结构计算模型:桥梁在使用过程中的模型修正、损伤识别为目标的有限元建模中,一方面为了能够准确计算桥梁结构的自振频率与振型等整体动力特性,在斜拉桥的动力分析中,考虑荷载方向的随机性,其结构行为表现出较强的耦合性,尤其是扭转和横向弯曲振型经常强烈耦合,其计算模式必须采用空间模型;另一方面由于该过程中的模型将会伴随桥梁漫长的使用过程,对数据及计算过程应做到能尽量简化;同时桥梁使用过程中材料的性能也会老化,出现损伤,即其实常数与结构形式也会发生变化,在建模的过程中就应考虑实时、动态的修改。

2 建模方法的改进与模型修正

建一座大型桥的模型是项复杂而繁琐的工作,模型修正的过程也不好掌握。如何做到只是修改几个数据就能达到模型修正的效果;如何将多变的主梁形式及无法统一的索距统一到一个命令流中,只需要改变几个数据另外一座大跨斜拉桥的结构计算模型就会建立起来。由前一节建模过程及计算结果数据分析,及主梁的多变形式、各桥不一样的索距,以各构件的实常数、双主梁的间距与索距为变量,以某座桥梁载体建立模型。这样就形成了现在的针对该类大跨度斜拉桥的建模思路。

3 应用实例

3.1 大桥概况

该桥主桥为双塔双索面五跨连续半漂浮体系钢箱梁斜拉桥,全长 1 040 m,跨径布置为(50+215+510+215+50)m。主梁为全焊接扁平流线形闭口钢箱梁,梁高3.0 m,行车道宽26.4 m,总宽30 m;钢箱梁内设横隔板,标准间距3.75 m,同时设置有实体式或桁架式纵隔板。索塔采用分离上塔柱倒Y形索塔,设计有三道横梁。斜拉索采用多股环氧全涂无粘结预应力钢绞线,标准索距为15 m。全桥共设6对竖向支座,其中主塔处竖向支座兼有纵向限位功能;过渡墩及辅助墩处竖向支座兼有抵抗部分横向力功能;桥塔处设有两对横向抗风抗震支座。平面与立面示意图如图1所示。

3.2 斜拉桥建模

1)斜拉索建模。斜拉索用空间杆单元Link10模拟,模拟其只受拉不受压的特性。斜拉索的初拉力通过输入单元初应变来实现,其值采用实测值,并用平均的方法保证其对称性。斜拉索采用和实桥一致的双幅面,全桥斜拉索单元128个。2)钢箱梁建模。采用ANSYS单元库中的空间梁单元Beam4模拟,其中截面高度3 m,截面宽度13.20 m,顶板与底板纵向U形肋各自采用等截面面积,平均厚度的钢板近似模拟。主梁采用双主梁法的空间“框架式”模型,主梁单元180个。3)横隔梁建模。钢箱梁主梁处横向每隔3.75 m设置一横隔梁,横隔梁为采用T形断面的刚臂单元,用空间梁单元Beam4模拟,横隔梁单元 364个。4)桥塔、墩和横梁。混凝土桥塔、墩和横梁采用实际断面,用空间梁单元Beam4模拟。索塔、辅助墩及过渡墩基础均按刚性计算。单箱三室钢箱梁和T形梁等效的横隔板的组合反映了斜拉桥主钢梁的纵向、横向挠曲刚度和抗扭刚度,大大增加了动力计算的精度。桥塔、墩和横梁共计单元380个。5)边界条件。边界条件方面,对于3,4号主墩,因为该桥为半漂浮体系,纵向挡块在有地震主梁浮动时才发挥作用,所以在求解自振频率及振型时可不考虑其影响。对于横向水平挡块,由于主梁与横向挡块之间有间隙,且挡块与主梁表面比较光滑,故主梁在竖向及转动时不受约束,但对于主梁横向振动,需要考虑挡块的作用,不能处理为横向完全自由,故在建模时采用横向单向约束。对于1,2,5,6号主墩,考虑在竖向设置了盆式支座,竖向约束外,其他方向不受约束,所有边墩和辅墩底均采用固结。6)荷载。桥面铺装前一期恒载。

在建模过程中对主梁的处理与索距的处理采用的是第三章中提出的建模思路(见表1),对于该桥应用变双主梁间距与变索距。应用数组与条件语句实现。根据该桥的实际情况建立的模型如图2所示。