周禮平

貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081

1 工程概況

平塘特大橋位于平塘縣通州鎮(zhèn)，跨越槽渡河峽谷，主橋采用（249.5+2×550+249.5）m的三塔雙索面疊合梁斜拉橋方案。橋梁平面布置由線路總體確定，全橋平面均位于直線段，縱坡為±0.55%，中跨設(shè)R=20000m凸曲線。該橋?yàn)檎O(shè)計(jì)，（13×40）m預(yù)應(yīng)力砼先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁+（249.5+2×550+249.5）m疊合梁斜拉橋。橋梁起點(diǎn)樁號(hào)K32+224，終點(diǎn)樁號(hào)K34+359，主橋中心樁號(hào)K33+553.5，橋梁全長(zhǎng)2135m。主橋橋面寬度為30.2m，引橋橋面寬度為24.7m。橋梁結(jié)構(gòu)為多塔（3塔）、高塔（塔高332m）、高墩（墩高為178m），是大跨度（主跨2×550m）斜拉橋，結(jié)構(gòu)整體剛度較為輕柔。中塔塔梁鉸接，邊塔采用豎向支承方式，中塔設(shè)置固定支座及縱向限位裝置，邊塔、過渡墩豎向均設(shè)活動(dòng)盆式橡膠支座，輔助墩處拉壓支座，塔梁交界處設(shè)橫向抗風(fēng)支座，過渡墩、輔助墩橫向均設(shè)抗風(fēng)防震擋塊，邊塔塔梁之間設(shè)置縱向阻尼器。平塘大橋立面布置如圖1所示。

圖1 平塘大橋立面布置（單位：mm）

2 影響線在斜拉橋設(shè)計(jì)、評(píng)估中的應(yīng)用

2.1 影響線及其適用性能

影響線是表征結(jié)構(gòu)效應(yīng)（反力、內(nèi)力、應(yīng)力和位移等）在單位移動(dòng)荷載作用下，荷載響應(yīng)的空間圖形表達(dá)，是進(jìn)行橋梁移動(dòng)荷載分析的基礎(chǔ)工具[1-3]。車輛是公路橋梁的典型移動(dòng)作用，可以用影響線描述橋梁在車輛荷載作用下的響應(yīng)特性。為了揭示橋梁車輛荷載作用機(jī)理，進(jìn)行荷載評(píng)定、荷載模型建立、結(jié)構(gòu)性能評(píng)估，研究橋梁效應(yīng)的影響線特性（如形狀、分布、范圍等）十分必要。

影響線作為表達(dá)結(jié)構(gòu)效應(yīng)與移動(dòng)荷載的量化測(cè)度關(guān)系，一方面可以確定關(guān)注效應(yīng)在移動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)空間變化規(guī)律，另一方面可以確定給定橋梁效應(yīng)的最不利移動(dòng)荷載加載位置及其響應(yīng)范圍，是進(jìn)行橋梁移動(dòng)荷載研究的最基礎(chǔ)性工具。其基本機(jī)理是虛功原理和平衡方程，對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)還應(yīng)包含變形協(xié)調(diào)關(guān)系才能獲得理論解答。橋梁在運(yùn)營使用過程中出現(xiàn)材料退化、截面損傷、邊界約束改變、體系剛度配置變化等問題，理論上都會(huì)對(duì)影響線的分布及形狀產(chǎn)生影響，因此在結(jié)合特定橋梁開展隨機(jī)車流模擬與結(jié)構(gòu)的評(píng)估中，需要考慮上述這些變化識(shí)別出正確的橋梁效應(yīng)影響線。為了便于研究，文章中橋梁效應(yīng)影響線都是基于橋梁初始設(shè)計(jì)狀態(tài)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定的，不考慮運(yùn)營過程中上述復(fù)雜變化的影響。

2.2 影響線在大跨橋梁中的應(yīng)用

影響線加載求得移動(dòng)荷載響應(yīng)的方法是建立在線性疊加理論的基礎(chǔ)上，無法考慮活載非線性作用的影響，雖節(jié)省了計(jì)算耗時(shí)，但可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不精確，使用前需首先對(duì)這一問題進(jìn)行分析。對(duì)于大跨徑纜索承重橋梁，若采用有限元模型直接加載方法，計(jì)算代價(jià)很大，同時(shí)大跨多塔結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)非常顯著。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研及分析可知，非線性對(duì)于千米級(jí)橋梁結(jié)構(gòu)具有不到10%的計(jì)算誤差，考慮了恒載非線性后，其影響程度更是大大降低。為了綜合計(jì)算效率和精度，文章中不考慮活載的非線性影響，但是考慮恒載非線性。為此，可以建立特征效應(yīng)的荷載影響面，獲取其影響函數(shù)。同時(shí)，在進(jìn)行大跨徑效應(yīng)分析時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的縱向尺度遠(yuǎn)大于橫向，且假定車流沿車道行駛，各車道間相同橫向位置對(duì)總體效應(yīng)的貢獻(xiàn)差異不大，文章忽略車道間的影響線差異，即將總體桿系模型獲得的影響線應(yīng)用于各個(gè)特征效應(yīng)分析中。

3 平塘大橋結(jié)構(gòu)體系及基礎(chǔ)效應(yīng)

3.1 平塘大橋基礎(chǔ)效應(yīng)

關(guān)注多塔斜拉橋的總體效應(yīng)，幾個(gè)關(guān)鍵荷載效應(yīng)的影響線相關(guān)指標(biāo)如表1所示，各荷載效應(yīng)所在構(gòu)件的關(guān)鍵截面位置如圖2所示。

圖2 平塘大橋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)效應(yīng)的位置

表1 平塘大橋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)效應(yīng)

考慮到多塔斜拉橋設(shè)計(jì)中，中塔剛度及其結(jié)構(gòu)的受力行為是設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)，中跨跨中的主梁豎向位移相比其余位置是設(shè)計(jì)控制重點(diǎn)，因此在多塔斜拉橋的后續(xù)研究中，可以選取主梁跨中豎向位移、主梁跨中豎向彎矩、邊中塔塔底縱向彎矩、邊中塔塔底豎向軸力、邊中塔塔頂縱向位移、關(guān)鍵位置拉索索力進(jìn)行研究分析。

3.2 平塘大橋效應(yīng)聚類研究

效應(yīng)的聚類研究是對(duì)所有橋梁影響線根據(jù)其形狀和特性進(jìn)行系統(tǒng)分類，目標(biāo)是明確不同效應(yīng)對(duì)隨機(jī)車流參數(shù)的敏感特性以及使隨機(jī)車流模擬具有側(cè)重點(diǎn)和方向。此報(bào)告中，給出了平塘大橋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)效應(yīng)影響線的分析，分別提出“有效影響區(qū)”和“不平衡加載敏感性”兩個(gè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)所有影響線的分類研究。

有效影響區(qū)：影響線上所有影響值的絕對(duì)最大值為最大絕對(duì)影響值，有效影響區(qū)為影響值在絕對(duì)最大影響值0.2～1.0范圍的連續(xù)區(qū)域，一般指除去兩側(cè)0～0.2范圍的長(zhǎng)度，如圖3所示。

圖3 影響線有效影響區(qū)域圖示

不平衡加載敏感性：若影響線正負(fù)影響區(qū)相當(dāng)，則全長(zhǎng)的車流加載往往荷載效應(yīng)很低，而某一部分有車流、另一部分沒有車流才會(huì)產(chǎn)生非常顯著的荷載效應(yīng)，這種加載被稱為不平衡加載。敏感效應(yīng)表現(xiàn)為影響線正負(fù)影響區(qū)域相當(dāng)，不平衡加載控制極端響應(yīng)；不敏感效應(yīng)表現(xiàn)為影響線某符號(hào)影響區(qū)遠(yuǎn)大于另一符號(hào)影響區(qū)，平衡加載控制極端響應(yīng)；稍敏感效應(yīng)則介于兩者之間。采用正負(fù)影響線比率RExt和正負(fù)影響面積比率RAre兩個(gè)指標(biāo)衡量，基于不平衡加載敏感性效應(yīng)聚類分析標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 基于不平衡加載敏感性效應(yīng)聚類分析標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

文章分析了影響線基本特性，并給出了效應(yīng)分類標(biāo)準(zhǔn)，最后基于影響線研究了平塘特大橋的聚類效應(yīng)。研究表明，敏感效應(yīng)較少，且均為中塔的反對(duì)稱效應(yīng)；局部效應(yīng)較少，除各塔內(nèi)索索力影響范圍較小外，僅中跨跨中彎矩為局部效應(yīng)；部分不敏感效應(yīng)較少，均為中塔的正對(duì)稱效應(yīng)；部分不敏感效應(yīng)較少，為主梁或邊塔的豎向效應(yīng)。