大跨钢桁梁悬索桥静载试验工况优化设计

2023-12-29邹云华施宏侣赖敏芝黄新明

交通科技 2023年6期

邹云华施宏侣赖敏芝黄新明

(1.湖北交投智能检测股份有限公司武汉 430104; 2.湖北交通职业技术学院公路与轨道学院武汉 430079)

悬索桥以其结构形式优美、跨越能力突出等优点广泛应用于跨江海、山区、峡谷的桥梁设计[1-3]。对大跨径桥梁进行承载能力评定,可全面掌握结构强度和刚度分布规律,为桥梁后期运营、养护提供依据,是桥梁建设中重要的一环。成桥荷载试验是检验桥梁承载能力最直观有效的方法。随着悬索桥建设需求的增大,如何快速、精准、高效地对这类大跨悬索桥进行成桥荷载试验对桥梁建设者提出新的挑战。目前大多数合并优化研究都是针对普通桥梁[4],少部分针对斜拉桥[5-6],针对悬索桥的研究内容极少,但大跨悬索桥结构复杂,测试参数众多,试验工况多,加载车辆多,耗时耗力,正是亟待优化的重要桥型。

本文以白洋长江公路大桥成桥荷载试验项目为研究背景,对其进行有限元模拟计算分析后,拟结合该类型桥梁受力特点,在保证测试内容齐全的前提下,对该桥各控制截面的内力与位移影响线进行对比分析,将影响区域相近的控制参数合并为一个工况,并通过加载分级、调整加载顺序,避免加、卸载过程时可能出现的超限情况。通过该方法对加载工况进行优化,将多个静载试验工况合并为一个工况进行试验,以提高加载效率,缩短现场试验时间。在此基础上,对比实测数据与理论计算值,以验证该方法的实用性。

1 工程概况

白洋长江公路大桥主桥为1 000 m双塔单跨钢桁梁悬索桥,主梁采用钢桁加劲梁,矢跨比为1/9,主索中心距为36.0 m,采用平面索布置,全桥共65对双吊索,吊点标准间距为15.0 m,主塔中心线至近吊点间距为20.0 m。钢桁加劲梁由主桁架、横向桁架及上、下平联组成,主桁采用华伦式桁架,横向共2片主桁,桁高7.5 m,标准节段节间长7.5 m。主塔为牌楼造型门形框架结构,北塔塔高142.5 m,南塔塔高151 m。

桥面系结构采用钢-混凝土组合梁,全宽33.5 m,整幅设计,为支撑于钢桁梁横梁上弦杆顶面的多跨连续结构,支点处设板式橡胶支座,联间设置80型梳齿板伸缩缝。塔与加劲梁通过塔连杆连接,主梁与主塔横向设置横向抗风支座,主缆跨中设置中央短斜索(中央扣)形成缆梁固结。

大桥设计标准为公路-I级,双向六车道。大桥桥型布置图见图1。

图1 桥型布置图(单位:cm)

2 有限元模型

由于结构自重影响着悬索桥的结构刚度,因此建模时应全面考虑桥梁恒载重量。一期恒载主要包括主缆、吊索、加劲梁、螺栓、索夹等;二期恒载主要包括桥面系钢纵梁、横系梁、桥面板、二期铺装、防撞护栏、检修道、路灯与管线等附属结构。恒载按实际统计重量取值。

在静载试验前,考虑大桥几何非线性,采用有限元软件midas Civil对桥梁结构建立空间计算模型。主塔、钢桁加劲梁均采用梁单元模拟,主缆、吊索采用索单元模拟,主缆与主塔之间的连接采用主从节点模拟;钢桁加劲梁与主塔之间的连接是带销轴的塔连杆,采用杆单元模拟;采用弹性连接模拟桥面系结构钢纵梁及钢横系梁与钢桁梁横梁上的支座;横向抗风支座采用弹性连接模拟;在主塔承台底部、主缆锚固点处固结,在散索鞍鞍底采用释放Ry方向转动刚度的一般支撑进行模拟,全桥离散为7 791个节点,12 935个单元。

3 控制截面选取

根据设计活载作用下结构的计算结果可知,加劲梁主要以受轴力为主,最大轴力发生在距跨中30 m处,上弦杆最大压力为-3 260.1 kN,下弦杆最大拉力为3 000.1 kN;加劲梁最大竖向位移发生在主跨L/4截面附近(距跨中225 m),为1.377 m;主塔最大弯矩发生在塔脚处,为140 340.7 kN·m;白洋侧和宜都侧塔顶最大纵向位移分别为8.09,8.12 cm。

根据桥梁结构的最不利受力原则和代表性原则,并结合本桥结构特点及JTG/T J21-01-2015 《公路桥梁荷载试验规程》[7]要求,选取A、C截面(钢桁梁应变),E截面(钢桁梁最大扭转反应),H、J截面(主塔应变),B、D截面(钢桁梁挠度),G、F截面(主缆挠度),DN、DS截面(梁端纵向位移),FN、FS截面(塔顶纵向位移)、M、N截面(主缆锚跨索股索力),DS01、DS65吊索(最不利吊索索力增量),DS24、DS42吊索(吊索活载索力最大增量)等共计19个截面作为本次静载试验的控制截面,试验控制截面示意见图2。

图2 控制截面图(单位:m)

4 试验工况优化

4.1 影响线分析

传统静载试验工况通常对单一控制截面影响线进行布载,这样布载虽能满足规范要求,但往往一次只能满足1～2个参数的测试要求,造成测试工况过多,既耗时费力又不利于现场组织加载,亟待优化。对这类大跨钢桁梁悬索桥,应根据有限元模型计算结果,提取各控制截面内力及位移影响线,并对影响线进行对比分析,根据荷载效应等效原将把影响线中影响大、区域相近的各个参数在初步布载中合并考虑,尽量使各个参数的加载效率控制在0.85～1.05之间。

对影响线进行对比分析后,可知主塔塔顶(FN、FS截面)纵向位移、主塔塔底(J、H截面)最大弯矩、主缆锚跨(M、N截面)索股索力增量的影响线区域一致,见图3;钢桁梁最大挠度(B截面)、梁端纵向位移(DN截面)、主缆最大挠度(F截面)影响线区域接近,见图4;钢桁梁最大挠度(D截面)、梁端纵向位移(DS截面)影响线区域接近,见图5。

图3 塔顶纵向位移、主缆索力、主塔弯矩影响线图

图4 钢桁梁、主缆最大挠度、DN梁端纵向位移影响线图

图5 钢桁梁最大挠度、DS梁端纵向位移影响线图

4.2 初步布载

初步布载原则:①确定每一排车的最小间距(避免非本工况控制参数在加载过程中超限);②对称结构采用对称加载方式,验证实际结构受力的对称性;③为方便现场布载,车辆方向与间距尽量保持一致。

本次加载车辆采用350 kN双后轴载重车进行加载,前轴距中轴3.8 m,中轴距后轴1.4 m,前轴重70 kN,中、后轴各重140 kN。根据图3～5影响线情况,先对这3种工况进行初步加载,将加载车尽量布置在影响线区域大的位置。考虑到本桥为钢桁梁结构,为减小钢结构局部效应影响,可沿控制截面对称布置,将控制截面预留出来,这样可以避免直接加载导致控制截面出现内力突变,减小因现场布置偏差造成数据采集误差,提高试验结果的准确性与可靠性。初步布载见图6～图8。

图6 H、J、M、N、FN、FS截面载位布置图

图7 B、DN、F截面载位布置图

图8 D、DS截面载位布置图

4.3 工况优化

经过初步布载,大致确定了主塔纵向位移、主塔最大弯矩、主缆锚跨索股力增量、主梁最大位移、梁端纵向位移等控制参数的主要工况载位布置情况,对于影响效应区域较小的索力增量、跨中主缆挠度等参数控制工况,则可以通过局部调整加载车的位置来实现。按图6布载方式,在偏载载位时吊索活载索力最大增量(DS24、DS42)加载效率达到0.98,满足规范要求;跨中主缆挠度(G截面)加载效率达到0.90,满足规范要求;最不利吊索索力增量(DS01、DS65)加载效率只有0.44,不满足规范要求,但是对其影响线进行分析,可知影响最大效应区域集中在DS01、DS65索附近,在两吊索附近单独各加1排车,加载效率为0.41,由此很自然地可以想到在图6偏载载位的基础上将原载位两侧最边上各1排车移到最不利吊索索力增量最大效应区域,最不利吊索索力增量加载效率可达到0.86,同时最边上车辆位于原控制参数效应影响较小区域,对原控制参数加载效率影响较小,原控制参数效应均可满足要求,H、J、M、N、FN、FS、DS01、DS65、DS24、DS42截面载位布置图见图9。

图9 H、J、M、N、FN、FS、DS01、DS65、DS24、DS42截面载位布置图

4.4 最终结果

将以上工况优化合并后,还应注意是否有加载车处于影响线负值区域,应重点关注分级加载下各截面内力或位移是否存在超限情况。根据图9中的载位布置图可知,吊索活载索力最大增量(DS24、DS42)和跨中主缆挠度(G截面)工况作用下,有车辆处于影响线负值区域,可通过调整分级加载顺序的方式进行优化,避免出现加载过程中的超限情况。钢桁梁应变(A、C截面)、钢桁梁最大扭转反应(E截面)影响线集中于控制截面附近,不便与其他控制参数进行合并,可单独设置工况进行加载。

通过以上方式进行工况合并优化后,现场采用7个试验工况完成了全部19个控制截面23个控制参数的加载试验,3 d完成现场静载试验,极大地节约了人员投入数量和设备投入时间,既完整全面地检验了钢桁梁悬索桥的实际工作状态,又极大地提高了加载效率,缩短了现场试验时间。最终优化的工况及其对应截面的效率系数见表1。