大跨刚性桁梁柔性拱健康监测力学分析

王国安，李德慧，张 浩

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，石家庄 050043;2.江西交通科学研究院，南昌 330036)

大跨刚性桁梁柔性拱健康监测力学分析

王国安1，李德慧2，张 浩1

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，石家庄 050043;2.江西交通科学研究院，南昌 330036)

九江长江大桥的主桥采用了(180+216+180)m的刚性桁梁柔性拱结构，结构受力复杂。文中对该桥进行了危险性分析，并且建立了有限元模型进行静力和动力计算。通过对计算结果的分析和总结，得到了桥梁的静力荷载下的危险点和动力荷载的监测重点，为九江大桥科学布置测点和安装健康监测系统提供了重要数据与参考。

刚性桁梁柔性拱 危险性 静力分析 动力分析 健康监测

1 工程概况

九江长江大桥位于江西、湖北、安徽三省交界，坐落在江西九江市和湖北黄梅小池口宽阔的江面上，是两千多公里的京九铁路大干线上跨越长江的一座现代化特大公铁两用桥梁，上层为四车道兼有人行道的公路，下层为双线铁路，是迄今为止世界上最大的公铁两用桥。大桥全长13 941 m，其中铁路桥全长7 675 m，公路桥全长4 460 m，正桥钢梁长1 806 m，九江长江大桥的正桥共11孔钢梁，桥跨最大跨度达到了216 m。正桥的组成由北向南依次为(3×162+3×162)m连续钢桁梁;(180+216+180)m的刚性桁梁柔性拱结构和2×126 m连续钢桁梁结构。

九江长江大桥于1996年9月1日正式开通运营，但是，大桥运行15年来，随着自然的老化和损伤积累、车辆的增加和养护方面的原因，九江长江大桥存在着不同程度的损伤和病害，运营的安全性引起了高度的关注。近10年来，国内健康监测技术和相关理论迅猛发展，在技术和经验上都有了很多的积累，九江大桥所安装的健康监测系统，在线监测大桥的运营状况和实时进行大桥的状态评估，以确保大桥的安全运营。尤其是对最大跨度216 m的刚性桁梁柔性拱结构进行力学分析，为科学合理地布置测点提供详细的资料［1］。

2 刚性桁梁柔性拱危险性分析

由于主桁是钢桁架梁主要的承力结构。因此对其安全状态的把握不仅在于病害的监测，还在于其内力状态演变的监测。主桁恒载内力的演变主要来源于以下各方面：

1)桁架构件的锈蚀：钢结构外表油漆涂装易劣化，比如变色、起泡、大面积起皮、脱落进而引起钢构件锈蚀;

2)主桁节点板高强螺栓的松动和损坏：高强螺栓的工作状况直接关系到节点的承载能力，若一个关键节点的高强度螺栓连接发生问题，出现剪切破坏，就会影响到多根杆件的受力及分配，进而影响到整联桥梁结构的安全;

3)吊杆：在活载和风振作用下引起疲劳断裂将改变钢桁梁的弹性支承跨径;

4)构件的疲劳开裂：长期的研究表明，疲劳问题已经成为钢结构非常突出的结构危险源，局部的疲劳开裂已经成为钢结构最常见的病害。由于本桥存在大量的栓接或焊接节点，因此疲劳裂纹监测在本桥的安全监测中有着至关重要的作用。按照钢结构疲劳开裂的原理，杆件中的焊接加劲肋处、杆件的翼板焊接补强处、杆件中的非高强度螺栓连接的开孔处、杆件和节点板断面削弱及应力集中处，都是易发生疲劳开裂的位置。

2.1 静力分析

为了了解该联三跨刚性桁梁柔性拱桥的受力特性，采用桥梁博士对结构进行静力计算和分析。平面梁单元有限元模型，有限元模型支点从左至右依次为6#墩、7#墩、8#墩及9#墩，如图1所示。有限元模型共被划分为502个单元，164个节点。具体的单元编号情况参见图2，由于是对称结构，中跨只给出了半结构的单元信息。具体的计算结果如表1和表2所示。

图1 刚性桁梁柔性拱平面有限元模型

图2 刚性桁梁柔性拱单元编号

表1 刚性桁梁柔性拱桥边跨重点观测压杆内力 kN

表2 刚性桁梁柔性拱桥重点观测杆件应力变化(中跨半结构) MPa

从表1和表2的计算结果可以看出：

1)主桁刚性桁架梁重点选择应力变幅大、以受拉为主应力较高的拉压杆和拉拉杆观测。

2)主桁架柔性拱与吊杆协作相当于对桁架主梁的弹性支承，轴向压力较大，应考虑予以观测。

3)主桁柔性拱三大孔拱吊杆为拉杆，长细比大，易出现风致振动疲劳。资料表明，当出现东北风(与桥中线正交方向夹角0°～30°)低风速4～6级(风速6.5～13.2 m/s)，38根较长吊杆出现过风激涡振。中孔最长的18根属纵弯涡振，其余的为扭转涡振。最大纵弯振幅为±7 cm，最大扭转角 ±8°。鉴于该桥在42根长吊杆处已采用调谐质量阻尼器TMD以遏制涡振，必须适当选择少量吊杆布置传感器来监测减振效果及其应力状态。

4)主桁刚性桁架梁加劲弦杆轴向压力较大，建议予以观测，防止可能出现失稳。

虽然主桥三大拱跨段的主桁杆件没有发现较大的病害，也未发现有疲劳损伤问题存在，但是考虑公路铁路交通发展以及桥梁安全需要，桥梁的运营安全依托于桥整体的健康，三大拱跨段大桥主结构监测应以吊杆、拉拉杆、和受拉为主的拉压杆为内力(应力)监测对象。

2.2 动力分析

桥梁动力特性是桥梁构件性能退化的标志之一。桥梁自振频率的降低，桥梁局部振型的改变可能预示着结构的刚度降低或局部破坏，为了解该联三跨刚性桁梁柔性拱桥的动力特性，采用大型有限元分析程序ANSYS进行结构的计算和分析。建模时充分考虑了桥面板、公路纵梁断缝、公路桥面板间的橡胶伸缩缝和支座等工作状态的不确定性，采用了多种边界条件约束对其动力特性进行分析，如表3所示。

刚性桁梁柔性拱桥结构的各构件均采用空间梁单元beam4模拟，在桥面系中部分次要钢构件、混凝土桥面板、沥青混凝土桥面铺装以及附属结构等采用梁单元附加线质量和集中质量单元mass21代替。模型划分为6 519个梁单元，4个质量点单元，节点共计3 043个。有限元模型支点从左至右依次为6#墩、7#墩、8#墩及9#墩。动力有限元模型如图3所示。动力计算的结果如表4和图4所示，因篇幅所限这里只给出了前四阶振型。而最终应用于大桥的有限元模型需根据实测结果进行修正。总之，对于主桥可选择跨段和健康状态较差的构件进行监测，并通过人工目视巡检来加以检查复核。

表3 支座不同约束状态的组合

图3 刚性桁梁柔性拱桥空间有限元模型

从表4的计算结果可知：在设计状态下，低阶侧弯振型先于低阶反对称竖弯振型和低阶扭转振型出现，其中，低阶反对称竖弯振型频率低于低阶扭转频率;在可能工作状态下，低阶侧弯振型保持先于低阶反对称竖弯振型和低阶扭转频率出现，但其中低阶反对称竖弯振型频率高于低阶扭转频率。从上述分析可得出以下结论：

1)桥梁横向刚度较为薄弱，重点加强观测横向振动。

2)支座约束的实际工作状态对振型频率影响较为明显，应根据实测结果正确模拟其工作状态。

3 结论

从理论上讲，位移和应力的测点越多，结构健康监测系统使用的传感器类型越多，结构工作状态的描述就越准确，监测的结果也就越精确，但考虑到传感器、仪表及传输和接收设备的费用，一般只能使用有限数量的传感器［2］。所以，如何兼顾有效性和经济性，即用尽可能少的传感器获取全面的、准确的结构参数信息，就需要事先对结构进行相应的静力、动力计算，从而对结构的受力危险点和动载效应情况有一个预判。

图4 刚性桁梁柔性拱桥设计状态下的前4阶振型

表4 刚性桁梁柔性拱桥振型频率 Hz

以上对九江大桥主桥大跨(中跨为216 m)刚性桁梁柔性拱的危险性进行了理论分析，并且对该刚性桁梁柔性拱桥进行了有限元建模和静力、动力分析。根据理论计算和分析可知，刚性桁梁柔性拱桥静力控制截面的具体位置为中孔跨中截面、拱顶截面、内支点截面、端支点截面。且活载作用下控制截面受力最不利的杆件为中跨跨中下弦杆、边跨梁端第四节上下弦杆、端支点墩顶竖杆、桥门架斜杆、边拱拱肋、中拱拱肋、内支点墩顶处上弦杆、加劲弦、内支点竖杆;动力监测应注意重点观测横向的振动，并且由于约束条件对振动有较大影响，应对支座的实际工作状态也进行监测。

此外，由于九江长江大桥是迄今为止世界上最大的公铁两用桥，对于其精度控制将十分困难。该大桥的有限元模型非常复杂，以上分析也会存在一定的误差［3］。因此，在确定具体的健康监测方案之前，最好进行模型试验加以验证，并对传感器测点进行优化布置。

［1］同济大学，上海市政工程设计研究总院，上海市城市建设设计研究院，等.大型复杂桥梁结构健康监测及在线评估关键技术研究科研项目结题验收报告［R］.上海：同济大学，2009.

［2］上海市政工程设计研究总院，同济大学，上海巨一科技发展有限公司.上海崇明越江通道长江大桥工程结构健康监测系统方案［R］.上海：上海市政工程设计研究总院，2007.

［3］闻家明，周仙通.深圳湾公路大桥结构健康监测系统的实现［J］.世界桥梁，2008(2)：63-65.

U448.21+1

B

1003-1995(2011)03-0016-04

2010-10-21;

2011-12-10

王国安(1972— )，男，河北武邑人，讲师，硕士研究生。

(责任审编 白敏华)