基于最敏感索力的大跨斜拉桥辅助墩损伤识别研究

郭燕培 （成都理工大学，四川 成都 610059）

1 引 言

在大跨度斜拉桥中，为了增强结构的整体刚度，改善结构的受力状况，以及减少塔顶的水平位移、塔的弯矩和主梁内力，在大跨斜拉桥的边跨设置辅助墩，是一个非常有效的方法[1]。李延强等[2]通过BP神经网络研究并提出了基于最敏感斜拉索张力指标的斜拉桥主梁损伤识别方法；熊文等[3]以运营阶段实测索力作为跟踪目标对主梁刚度退化的程度与位置进行识别；李延强[4]提出了一种最敏感索力指标和神经网络相结合的斜拉桥主梁损伤识别方法；董晓马等[5]提出了基于柔度矩阵的斜拉索损伤识别方法；钟儒勉等[6]提出了基于多尺度模型修正的结合梁斜拉桥损伤识别方法。从文献调研中可以看出，现阶段的斜拉桥损伤识别的研究虽然方法众多，但是研究对象仍是主要聚焦在主梁或者索力方面，对于辅助墩的损伤识别研究较为稀少。

2 工程概况

2.1 背景工程

鄱阳湖大桥是江西省九江市至景德镇高速公路上的一座特大桥，跨越鄱阳湖的湖口地段，南侧是鄱阳湖，北侧是长江。桥梁全长3799m，桥面宽27.5m，为双向四车道，设计时速100km。整座大桥横跨在鄱阳湖湖面上，是国家高速（G56杭瑞高速公路）的重要东西向运输通道，该大桥于2000年11月建成通车，主桥全长636m，主桥跨境布置为65+123+318+131m的四跨预应力混凝土大、小塔双索面斜拉桥。主桥采用桥塔分离式，在主塔下横梁上设置竖向支座的半漂浮结构体系，高塔（九江岸）边跨辅助墩顶设有拉压支座。

此桥选用受力性能较好的扇形索塔布置，主塔采用花瓶型结构，大小塔不对称布置，拉索共计152根。主孔结构为65+123+318+131m四跨预应力混凝土大、小塔双索面斜拉桥，主梁施工采用前支点挂篮施工，主梁截面如图1。

图1 主梁断面

2.2 86号下游辅助墩损伤状况

根据鄱阳湖大桥辅助墩损伤时的现场检测，下游侧抗压支座上钢板锚固螺栓脱落失效，导致支座脱空，退出工作；由于荷载作用下引起主梁偏位，脱落的螺栓与支座垫石混凝土发生挤压，导致垫石混凝土破损；同时支座整体向下游偏位。而与下游侧支座相比，上游侧支座上钢板与主梁锚固良好，螺栓未发生脱落现象，但支座已发生偏转和旋转，推测支座内部已经产生了较大的内力。

此时可以测得损伤后的索力变化，如表1所示。

鄱阳湖大桥损伤前后索力对比 表1

此时，对于斜拉桥这种超静定结构，拉压支座的失效对其结构受力体系会产生较大的变化，因此应当引起重视。

3 模型的建立与修正

3.1 模型的建立

此模型采用Midas civil软件进行建模分析，结构形式采用单主梁的脊骨梁模型，此模型的特点是主梁的刚度与质量系统都可以还原实际桥梁，但不能考虑主梁约束扭转刚度的影响，此次仅使用桥梁的索力与其他受力状态的分析，因此单主梁模型的缺点可以忽略[10]。

根据斜拉索的特性，采用只受拉的桁架单元。采用刚性连接模拟斜拉索与主梁的连接位置，确保拉索锚固位置的准确性。使用软件中的未知荷载系数法，对模型的索力进行修正，将模型索力与实际成桥数据进行对比，并且基于成桥后的位移进行修正，得到与实际成桥状态相似的模型。

此斜拉桥中塔柱、上塔柱和横梁为等截面，用梁单元模拟，下塔柱为变截面，采用变截面梁单元进行模拟，并将主梁与桥塔进行刚性连接，以模拟实际的成桥状态。

辅助墩则是直接用约束进行模拟，在辅助墩位置设置竖直约束与横向约束，因为此处只需要考虑辅助墩对斜拉桥的约束效应，并不考虑与土层的作用和桩基础的效应。

隋唐五代时期，人们继承了前代的用法，凡是“尚巧”一定与技巧、技艺等相联系。如隋代江总《为陈六宫谢表》“愧缠艳粉，无情拂镜，愁萦巧黛，息意临窗”[20](P4070)，赞美宫中女子善于妆扮。可以说，这一用法，自隋唐到宋代，人们的“尚巧”观念都是基于对制作、创作方面的工艺、技能等方面的肯定和推崇，是单纯从技术、技能方面来言说的。比照本文前述所引用的唐宋时期“尚拙”问题的文献，亦可对此有较为充分的理解。

3.2 模型的修正

按照3.1节中的索力调整的方法，可以得出成桥索力，并且与实际的索力相对比。

可得出，模型索力与成桥索力数值相差不超过10%，说明此时模型状态与实际桥梁状态虽有差别，但是此误差已在容许范围内，故忽略该误差对本文的影响。

4 损伤识别

4.1 最敏感索力的确定

此处模拟的损伤为斜拉桥86号下游辅助墩（位于SA15下游拉索附近）损伤，因辅助墩此处为竖向约束与横向约束所代替，模拟损伤只需将此处的约束取消，保持在未损伤状态下的成桥受力状态，即可得出此时的损伤状态下的成桥索力。

在软件中进行损伤状态下的成桥模拟，可以得出损伤状态下成桥后的索力状态，并且与未损伤状态的索力作对比，结果如表3所示。

模型索力与实测索力对比结果 表2

损伤状态索力与未损伤状态索力对比结果 表3

表3中可以看出，在SA15下游处的索力变化最大，且距辅助墩越近，索力受到辅助墩损伤影响越大，即可以得出SA15下游索力为辅助墩损伤的最敏感索力。

4.2 辅助墩竖向位移与最敏感索力的拟合

为了研究辅助墩竖向位移与最敏感索力的关系，首先得到桥梁监测数据，如表4所示。

辅助墩位移与最敏感索力数据 表4

使用OriginPro软件对其进行线性拟合，使用参数Y代表辅助墩竖向位移，F代表最敏感索力大小，结果如图2所示。

图2 辅助墩竖向位移与索力拟合结果

可以得出拟合公式：

此处可以得出辅助墩竖向位移与最敏感索力的关系公式，可以运用在健康监测系统中，通过最敏感索力的变化得出辅助墩的位移变化，来快速判断出辅助墩是否出现损伤。

5 结论

本文以我国鄱阳湖大桥辅助墩损伤为背景，运用软件进行有限元建模，得出了辅助墩竖向位移与最敏感索力的拟合关系，以此来进行辅助墩的损伤识别，得到的结论如下：

①在斜拉桥损伤模型中，运用模型修正法配合现场桥梁监测数据可以得到与现实力学性能相近的模型；

②在鄱阳湖大桥中，辅助墩损伤的最敏感索力为最近的拉索索力，在桥梁监测中，可以通过最敏感索力的变化规律，来更快地识别辅助墩损伤；

③在桥梁健康监测系统中，辅助墩位移指示器数值较大的情况下，可以通过最敏感索力的变化来辨别是否是辅助墩位移指示器出现故障所导致的现象。