基于影响线的平塘特大桥聚类效应描述

2021-10-24周礼平

工程技术研究 2021年16期

周礼平

贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550081

1 工程概况

平塘特大桥位于平塘县通州镇，跨越槽渡河峡谷，主桥采用（249.5+2×550+249.5）m的三塔双索面叠合梁斜拉桥方案。桥梁平面布置由线路总体确定，全桥平面均位于直线段，纵坡为±0.55%，中跨设R=20000m凸曲线。该桥为整幅设计，（13×40）m预应力砼先简支后结构连续T梁+（249.5+2×550+249.5）m叠合梁斜拉桥。桥梁起点桩号K32+224，终点桩号K34+359，主桥中心桩号K33+553.5，桥梁全长2135m。主桥桥面宽度为30.2m，引桥桥面宽度为24.7m。桥梁结构为多塔（3塔）、高塔（塔高332m）、高墩（墩高为178m），是大跨度（主跨2×550m）斜拉桥，结构整体刚度较为轻柔。中塔塔梁铰接，边塔采用竖向支承方式，中塔设置固定支座及纵向限位装置，边塔、过渡墩竖向均设活动盆式橡胶支座，辅助墩处拉压支座，塔梁交界处设横向抗风支座，过渡墩、辅助墩横向均设抗风防震挡块，边塔塔梁之间设置纵向阻尼器。平塘大桥立面布置如图1所示。

图1 平塘大桥立面布置（单位：mm）

2 影响线在斜拉桥设计、评估中的应用

2.1 影响线及其适用性能

影响线是表征结构效应（反力、内力、应力和位移等）在单位移动荷载作用下，荷载响应的空间图形表达，是进行桥梁移动荷载分析的基础工具[1-3]。车辆是公路桥梁的典型移动作用，可以用影响线描述桥梁在车辆荷载作用下的响应特性。为了揭示桥梁车辆荷载作用机理，进行荷载评定、荷载模型建立、结构性能评估，研究桥梁效应的影响线特性（如形状、分布、范围等）十分必要。

影响线作为表达结构效应与移动荷载的量化测度关系，一方面可以确定关注效应在移动荷载作用下的响应空间变化规律，另一方面可以确定给定桥梁效应的最不利移动荷载加载位置及其响应范围，是进行桥梁移动荷载研究的最基础性工具。其基本机理是虚功原理和平衡方程，对于超静定结构还应包含变形协调关系才能获得理论解答。桥梁在运营使用过程中出现材料退化、截面损伤、边界约束改变、体系刚度配置变化等问题，理论上都会对影响线的分布及形状产生影响，因此在结合特定桥梁开展随机车流模拟与结构的评估中，需要考虑上述这些变化识别出正确的桥梁效应影响线。为了便于研究，文章中桥梁效应影响线都是基于桥梁初始设计状态的数值计算结果确定的，不考虑运营过程中上述复杂变化的影响。

2.2 影响线在大跨桥梁中的应用

影响线加载求得移动荷载响应的方法是建立在线性叠加理论的基础上，无法考虑活载非线性作用的影响，虽节省了计算耗时，但可能导致计算结果不精确，使用前需首先对这一问题进行分析。对于大跨径缆索承重桥梁，若采用有限元模型直接加载方法，计算代价很大，同时大跨多塔结构的非线性效应非常显著。根据相关文献调研及分析可知，非线性对于千米级桥梁结构具有不到10%的计算误差，考虑了恒载非线性后，其影响程度更是大大降低。为了综合计算效率和精度，文章中不考虑活载的非线性影响，但是考虑恒载非线性。为此，可以建立特征效应的荷载影响面，获取其影响函数。同时，在进行大跨径效应分析时，桥梁结构的纵向尺度远大于横向，且假定车流沿车道行驶，各车道间相同横向位置对总体效应的贡献差异不大，文章忽略车道间的影响线差异，即将总体杆系模型获得的影响线应用于各个特征效应分析中。

3 平塘大桥结构体系及基础效应

3.1 平塘大桥基础效应

关注多塔斜拉桥的总体效应，几个关键荷载效应的影响线相关指标如表1所示，各荷载效应所在构件的关键截面位置如图2所示。

图2 平塘大桥关键结构效应的位置

表1 平塘大桥关键结构效应

考虑到多塔斜拉桥设计中，中塔刚度及其结构的受力行为是设计关注重点，中跨跨中的主梁竖向位移相比其余位置是设计控制重点，因此在多塔斜拉桥的后续研究中，可以选取主梁跨中竖向位移、主梁跨中竖向弯矩、边中塔塔底纵向弯矩、边中塔塔底竖向轴力、边中塔塔顶纵向位移、关键位置拉索索力进行研究分析。

3.2 平塘大桥效应聚类研究

效应的聚类研究是对所有桥梁影响线根据其形状和特性进行系统分类，目标是明确不同效应对随机车流参数的敏感特性以及使随机车流模拟具有侧重点和方向。此报告中，给出了平塘大桥关键结构效应影响线的分析，分别提出“有效影响区”和“不平衡加载敏感性”两个指标，实现所有影响线的分类研究。

有效影响区：影响线上所有影响值的绝对最大值为最大绝对影响值，有效影响区为影响值在绝对最大影响值0.2～1.0范围的连续区域，一般指除去两侧0～0.2范围的长度，如图3所示。

图3 影响线有效影响区域图示

不平衡加载敏感性：若影响线正负影响区相当，则全长的车流加载往往荷载效应很低，而某一部分有车流、另一部分没有车流才会产生非常显著的荷载效应，这种加载被称为不平衡加载。敏感效应表现为影响线正负影响区域相当，不平衡加载控制极端响应；不敏感效应表现为影响线某符号影响区远大于另一符号影响区，平衡加载控制极端响应；稍敏感效应则介于两者之间。采用正负影响线比率RExt和正负影响面积比率RAre两个指标衡量，基于不平衡加载敏感性效应聚类分析标准如表2所示。