嚴(yán)超群， 穆江飛

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與測(cè)繪工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

0 概 述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)交通量也在急劇增長(zhǎng)，越來(lái)越多的橋梁應(yīng)運(yùn)而生。由于斜拉橋有較強(qiáng)的跨越能力和較為合理的經(jīng)濟(jì)特性，故在很多跨海跨江跨河工程上都采用此類(lèi)橋作為主體工程。然而斜拉橋?qū)儆谑芰?fù)雜的高次超靜定結(jié)構(gòu)，由主梁、斜拉索和索塔三部分構(gòu)成，而斜拉索作為連接主梁與索塔的重要組成部分，其能否合理傳力直接決定斜拉橋的受力性能。由于橋梁的施工誤差以及在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中養(yǎng)護(hù)管理工作的不完善，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中斜拉索不可避免會(huì)出現(xiàn)一些病害特征，如拉索出現(xiàn)銹蝕、松弛和斷索等結(jié)構(gòu)病害[1-2]，進(jìn)而影響到主梁和主塔的受力狀況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)為達(dá)到新的平衡而應(yīng)力重分布，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性能以及造成了較為惡劣的社會(huì)影響。據(jù)養(yǎng)護(hù)單位統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大部分斜拉橋拉索都存在不同程度的損傷，這使得結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評(píng)估存在漏洞。因此，為保證運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的斜拉橋處于理想受力狀態(tài)，做到對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估，研究斜拉索在不同程度損傷和不同位置損傷情況下對(duì)結(jié)構(gòu)靜力特性的影響十分有必要。

1 斜拉索索力的測(cè)試方法

目前斜拉索索力的測(cè)試方法主要有：頻率法、振動(dòng)波法、液壓千斤頂?shù)膲毫Ρ頊y(cè)試法、壓力傳感器測(cè)試法等[3]，各種檢測(cè)方法的原理及適用性都不盡相同。為了系統(tǒng)地比較各種方法的優(yōu)劣性，現(xiàn)將各種檢測(cè)方法的適用性和局限性進(jìn)行列表比較，如表1所示。

表1 索力檢測(cè)方法適用性和局限性比較

其中，在工程索力常規(guī)檢測(cè)中頻率法最為常用，可分為有振動(dòng)的接觸式和采用微波雷達(dá)法的非接觸式兩種。

(1)振動(dòng)法。振動(dòng)法的測(cè)試原理主要是通過(guò)在索體上布置加速度傳感器，采用人工激振或隨機(jī)的方式獲取斜拉索的振動(dòng)信號(hào)，將之轉(zhuǎn)換成電信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析以得到拉索的各階固有頻率fn，再通過(guò)頻率與索力的換算關(guān)系獲得該拉索的索力值，具體關(guān)系式如下：

式中：T為索力；fn為n階振動(dòng)頻率數(shù)；l為索長(zhǎng)。

(2)微波雷達(dá)法。微波雷達(dá)法是基于干涉測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)索力受力狀態(tài)測(cè)試的一種方法。微博雷達(dá)發(fā)射微波信號(hào)，通過(guò)不斷發(fā)射和遇拉索后的反射，獲得一系列的變化相位以計(jì)算拉索的振動(dòng)變化位移，位移時(shí)程曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)時(shí)頻變換計(jì)算出振動(dòng)頻率，從而計(jì)算拉索索力。

雖然有較多方法可以檢測(cè)斜拉索的索力，而且近年來(lái)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在過(guò)來(lái)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，出現(xiàn)了磁漏檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法和索力檢測(cè)[3]等方法，然而斜拉索數(shù)量較多，目前還達(dá)不到對(duì)每根拉索的受力狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也就無(wú)法監(jiān)測(cè)到整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。因此，為便于后期更方便、更快捷地找到拉索損傷位置并及時(shí)調(diào)整更換拉索，以某運(yùn)營(yíng)斜拉橋?yàn)檠芯勘尘埃謩e在不同荷載工況下研究拉索損傷與主梁線(xiàn)形、拉索索力之間的變化規(guī)律。

2 工程背景

主體結(jié)構(gòu)模型為雙塔三跨預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用雙索面半漂浮結(jié)構(gòu)體系。跨徑組合為100 m+220 m+100 m，橋面總寬為31 m，設(shè)計(jì)雙向六車(chē)道，頂面設(shè)雙向2%的橫坡。全橋使用40對(duì)鋼質(zhì)斜拉索，索面輻射型布置。本文通過(guò)Midas/Civil有限元軟件對(duì)該斜拉橋進(jìn)行實(shí)體建模分析，斜拉橋拉索采用桁架單元模擬，主梁和主塔均用梁?jiǎn)卧M。主體結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)模型

3 拉索損傷靜力特性影響分析

3.1 荷載工況組合

為研究拉索在最不利損傷組合工況下對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力特性影響[4-6]，本文將左邊跨拉索編號(hào)為L(zhǎng)S10(A)～LS1 (A)、LS10(B)～LS1 (B)，中跨拉索編號(hào)為L(zhǎng)S11(A)～LS20 (A)、LS11(B)～LS20 (B)、RS20(A)～RS11 (A)和RS20(B)～RS11 (B)，右邊跨拉索編號(hào)為RS1(A)～RS10 (A)、RS1(B)～RS10 (B)。以不同位置情況下拉索相同程度損傷(損傷40%)、相同位置情況下拉索不同程度損傷、長(zhǎng)中短索對(duì)稱(chēng)損傷和非對(duì)稱(chēng)損傷幾種進(jìn)行工況組合，共分析24組工況，具體組合見(jiàn)下表2。

表2 斜拉索各損傷組合工況

目前大多斜拉索的主要材料仍以鋼絞線(xiàn)構(gòu)成，拉索損傷也就是部分鋼絞線(xiàn)的破斷，索力值由剩余鋼絞線(xiàn)組成的有效承載面積決定。在有限元建模中可通過(guò)降低彈性模量的方式來(lái)模擬拉索損傷[7-9]，拉索損傷后的彈性模量E(Ψ)公式如下：

E(Ψ)=(1-Ψ)E

為研究拉索不同程度損傷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)靜力特性的影響，可將拉索損傷分為：損傷10%、損傷30%、損傷50%、損傷70%、損傷100%五種工況。各工況下拉索損傷后的理論彈性模量取值如下表3。

表3 各工況下拉索損傷后的理論彈性模量值(MPa)

3.2 拉索損傷對(duì)主梁線(xiàn)形的影響

為研究拉索損傷對(duì)斜拉橋主梁線(xiàn)形的影響，從相同損傷程度(損傷40%)下非對(duì)稱(chēng)損傷情況、相同損傷程度下對(duì)稱(chēng)損傷情況和相同位置下拉索不同程度損傷(非對(duì)稱(chēng))三個(gè)方面模擬分析主梁線(xiàn)形的變化規(guī)律，如下圖2～4所示。

圖2 相同損傷程度拉索非對(duì)稱(chēng)損傷情況下主梁關(guān)鍵截面位移變化情況

圖3 相同損傷程度拉索對(duì)稱(chēng)損傷情況下主梁關(guān)鍵截面位移變化情況

圖4 相同位置下拉索不同程度損傷對(duì)主梁關(guān)鍵截面線(xiàn)形的影響(非對(duì)稱(chēng))

由上圖可得出如下結(jié)論：

(1)相同損傷情況下不同位置拉索損傷后，邊跨長(zhǎng)索的損傷對(duì)主梁線(xiàn)形影響非常大，使得主跨跨中撓度和邊跨跨中反拱度明顯增大。邊跨中索和短索對(duì)主梁線(xiàn)形的影響相對(duì)較小，僅在損傷拉索附近有影響；

(2)不對(duì)稱(chēng)邊跨拉索損傷主要影響本側(cè)橋跨主梁線(xiàn)形，對(duì)異側(cè)影響較小(幾乎沒(méi)有影響)，對(duì)稱(chēng)邊跨拉索損傷和主跨拉索損傷均會(huì)對(duì)全橋主梁線(xiàn)形有影響；

(3)主塔附近的短索損傷對(duì)主梁線(xiàn)形影響最小，主梁線(xiàn)形基本與未損傷時(shí)一致；

(4)同一位置損傷情況下，主梁線(xiàn)形變化隨著拉索損傷程度的增加而有相似規(guī)律性的增大。

3.3 拉索損傷對(duì)索力的影響

由主梁線(xiàn)形變化規(guī)律可知，最大變形量位于邊跨長(zhǎng)索處，從相同損傷程度(損傷40%)情況下拉索不同位置損傷和相同位置情況下拉索不同程度損傷(非對(duì)稱(chēng))兩個(gè)方面模擬分析索力的變化規(guī)律，如下圖5～6所示。

圖5 相同程度損傷下拉索不同位置損傷索力變化

圖6 相同位置下拉索不同程度損傷對(duì)索力變化

由上圖可得出如下結(jié)論：

(1)邊跨長(zhǎng)索的損傷對(duì)拉索索力變化影響最明顯，損傷后附近拉索索力增加較明顯，跨中偏向損傷拉索一側(cè)索力減小，跨中偏離損傷拉索一側(cè)索力增大；

(2)其他中短索損傷對(duì)自身附近拉索影響較大，對(duì)其他拉索影響較小(幾乎沒(méi)有影響)，單根拉索損傷主要影響同側(cè)拉索索力；

(3)主塔附近的短索損傷后對(duì)索力變化值影響相對(duì)較小，使其同側(cè)拉索索力值增大，異側(cè)減小；

(4)拉索索力隨著自身?yè)p傷程度的增大而有相似規(guī)律性的減小，損傷同側(cè)拉索索力隨著損傷程度的增加而增大，異側(cè)則相反。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究拉索損傷對(duì)橋梁線(xiàn)形和拉索索力的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)相同程度損傷情況下不同位置拉索損傷后，邊跨長(zhǎng)索損傷對(duì)主梁線(xiàn)形和拉索索力影響最為明顯，中短索的損傷對(duì)二者的影響相對(duì)較?。徊粚?duì)稱(chēng)邊跨拉索損傷只對(duì)本側(cè)拉索索力及主梁線(xiàn)形有影響，對(duì)異側(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)基本無(wú)影響；

(2)拉索對(duì)稱(chēng)損傷時(shí)對(duì)主梁線(xiàn)形和拉索索力均有影響，在損傷的拉索位置處變化最為明顯，主塔附近的短索損傷對(duì)二者影響最小；

(3)相同位置情況下拉索不同程度損傷對(duì)主梁線(xiàn)形和拉索索力呈規(guī)律性影響變化，主梁線(xiàn)形隨損傷程度的增加而有相似規(guī)律性增大，拉索索力隨損傷程度的增加而有相似規(guī)律性減小。