高屏溪斜拉桥现场静载试验外文文献翻译要点.docx
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高屏溪斜拉桥现场静载试验外文文献翻译要点
高屏溪斜拉桥现场静载试验
I-KuangFang;Chun-RayChen;andI-ShangChang
摘要
现场静载试验是分析斜拉桥行为和确定其基本参数的一种有效方法。
本文叙述了台湾最大跨径斜拉桥——高屏溪斜拉桥在投入运营之前的现场静载试验结果。
试验中工采用了均部弯矩和扭矩等40种荷载工况来研究桥梁的行为。
试验中还监测了气温变化对主梁挠度的影响。
现在静载试验的结果包括主梁挠度,预应力混凝土箱梁的弯曲应变和索力变化。
建立了桥梁的三维有限元模型。
试验结果显示,在平面荷载作用下,桥梁的参数符合线性叠加原理,与分析模型的计算结果吻合较好。
本文还对斜拉桥的挠度和索力设计规范进行了深入探讨。
关键词:
斜拉桥;有限元方法;静载;荷载试验;监控;台湾
引言
由于审美上的吸引力和技术的进步,过去几十年中,现代斜拉桥在全球如雨后春笋般的兴起。
(Troitsky1977;Gimsing1999)。
斜拉桥分析技术和施工技术的进步使斜拉桥的跨度大大增加。
而随着跨度的增加,斜拉桥的行为变得更加复杂,在衡量斜拉桥安全性时,其基本参数如刚度,索力变化和斜拉桥稳定性等变得尤为重要。
一般来说,现场静载试验是分析斜拉桥基本行为和确定斜拉桥必要数据的一种有效方法。
此外,对于大跨度斜拉桥,建立一个与现场荷载试验结果合理关联的有限元模型对桥梁未来的维护是非常重要的。
在过去十年中,一些大跨度桥梁的静载试验结果和分析模型已经被公布出来。
HulseyandDelaney(1993)发表了CaptainWilliamMooreCreek斜拉桥的现场静载试验结果,并与一个二维有限元模型做了比较。
Changetal.(2001)andZhangetal.(2001)对香港KapShuiMun斜拉桥进行了环境振动试验并建立了三维有限元模型。
Cunhaetal.(2001)发表了VascodaGama桥的环境振动和自由振动试验结果,与3D有限元模型吻合较好。
Worsaketal.(1992)总结了斜拉桥有限元模型中结构构件即桥塔、桥面板、连接和拉索的模拟。
拉索索力的变化会引起桥塔和主梁内力的重大变化。
Casas(1994)发现索力变化10%会引起桥塔100%的弯矩变化和主梁300%的弯矩变化。
不管是在建设中的斜拉桥还是已经投入运营的斜拉桥,精确的测定拉索索力都是非常重要的。
到目前为止,斜拉桥索力测试的方法已经有很多种,如张拉千斤顶测试法、锚固端测压元件测试法、斜拉索伸长量测试法和应变计测试法等。
一些研究人员研究出了基于振动法的多种索力测量方法(Shinkeetal.1980;Casas1994;Shimada1994;Zuietal.1996)。
在这些方法中,基于弦振动理论的环境随机振动法是简单而适用的索力测量方法(Casas1994)。
斜拉索的有效长度和自振频率是与索力测量相关的重要参数。
本文叙述了台湾高屏溪斜拉桥现场静载试验的过程和结果。
荷载试验的反应包括主梁的挠度,PC箱梁的纵向应变和索力的变化。
研究了斜拉索的有效长度和自振频率。
讨论了测试的挠度和索力与斜拉桥设计规范的相关性。
并用SAP2000-Plus软件建立了斜拉桥的三维有限元模型,并用静载试验的结果确定了模型的初始构型,以备日后研究。
高屏溪斜拉桥
如图1所示,高屏溪桥横跨高屏溪,总长2615m,是台湾第二高速公路南部建设工程之一。
它包括三种不同的桥型,一座斜拉桥,两座现浇悬臂梁桥和三座高级短施工周期桥梁,长度分别为510,1018和1087m。
高屏溪桥主梁为钢—混凝土组合连续梁,主塔为倒Y型,斜拉索为单索面半扇形,为台湾最长的斜拉桥。
该桥的立面图和主要截面及标高如图2所示。
主塔高183.5m,截面为中空变截面形式。
两面各有15对斜拉索,其中两对为背索(B101和F101)。
斜拉索一端锚固在主塔上,索距4.2m,一端锚固在主梁上,边跨索距11.8m,主跨索距20m。
桥面宽34.4m,高3.2m,共六车道双向行驶。
主梁由边跨长180m的PC箱梁和主塔330m长的钢箱梁组成,距离水面线45高。
1996年4月开工建设,2000年1月投入运营。
因该桥处在台风区域,考虑到桥梁结构的复杂性和空气动力稳定性,对一个1/150的全桥模型和一个部分模型进行了强风载试验,以研究结构的效应。
试验结果显示,在52m/s的临界风速作用下,不管是在施工阶段还是在运营阶段,桥梁都具有较高的抵抗能力和安全系数(Wind1994;Wenzel1998)。
为了监控桥梁在施工阶段和运营阶段的结构行为,还建立了该桥的静力和动力监控系统(TANEEB1995;Fangetal.1999)。
现场静载试验的目的和方法
现场静载试验的目的包括
(1)检查监控设备的工作状态;
(2)研究平面静荷载条件下桥梁的反应;(3)建立桥梁的3D有限元模型并与现场静载试验结果相比较,以更深入研究桥梁在其他运营阶段荷载条件下的反应;(4)在桥梁投入运营之前建立一个该桥的基本数据库以便日后的管理和维修工作。
在现场静载试验中,选择了平均重量320kN的四轴自动倾卸卡车来模拟美国国家公路与运输协会标准(AASHTO)HS20-44中规定的活载。
考虑到很难在乡村地区找到同样的自动倾卸卡车,在初期两天的静载试验中仅使用了24辆卡车。
自动倾卸卡车的每轴平均荷载和轴线布置见图3。
静载试验包括集中荷载和分布荷载试验。
集中荷载试验使用六辆卡车,总重大约1920kN,分别相当于75%和150%的AASHTO中规定的弯曲和扭转卡车荷载,并用此荷载来确定桥梁主要构件的影响线。
试验中一共进行了各八次弯曲和扭转集中静载试验,集中静载试验的荷载布置见图4。
在每个分布静载试验中,分别运用了12,18和24辆自动倾卸卡车,其总重分别为3840,5760,和7680kN,相当于AASHTO规定的弯曲和扭转车道活载的30—110%。
共进行了六个分布扭转荷载测试和八个弯曲荷载测试。
分布静载试验的荷载布置见图4,全部静载试验条目见表1。
为了减小汽车移动对传感器测量性能的干扰,当自动倾卸卡车到达桥的预计位置时,立即用与安装在南侧桥栏杆外的八个加速度测量仪相连的便携式环境振动监控系统(SPC51)来检查主梁是否处于最不受干扰状态。
然后,数据采集系统开始采集数据。
此外,为了避免环境温度对试验结果的影响,自动倾卸式卡车每两小时应开离桥面一次以确定后续试验进行时桥梁的初始状态。
仪器与数据采集系统
高屏溪斜拉桥边跨有15个PC箱梁节段组成,每个节段平均长度为12m。
为了研究PC箱梁在多种荷载条件下的反应,在其中13个节段的底部和顶部翼缘中安装了两个混凝土应变计和钢筋应变计,如图5所示。
在施工阶段,桥面板上安装的监控设备索测量的数据已被手工记录下来。
桥梁建成后,所有的静力测量设备都与一个数据采集系统相连,以便在现场静载试验进行是采集数据。
主梁的变形则用沿主跨和边跨安装在每个五等分点和两边外栏杆中点的20个反射棱镜来监控,并用光电设备来测量。
高屏溪斜拉桥的拉索由直径15.7mm的钢丝组成,丝数为61—91,斜拉索用高密度聚乙烯(HDPE)管包裹,防止腐蚀。
在进行荷载试验时,用环境振动法来监控索力的变化。
主塔两边各选择七根索安装加速度计,安装高度为桥面以上3m处。
为了考虑低频范围的结果,每次数据采集的时间为180s,每秒可以采集200个数据。
用快速傅里叶变换(FFT)可以确定拉索第二到第六阶自振频率。
然后可根据弦振动理论计算索力。
主梁变形测量和斜拉索索力测量仪器布置见图5。
三维有限元分析模型
大跨度斜拉桥不管是在静荷载作用下还是在动荷载作用下都会表现出非线性特征。
这些非线性分为斜拉索的垂度效应,大位移效应和主塔和主梁的梁—柱效应(Ren1999;Changetal.2001)。
但是,FlemingandEgeseli(1980)指出,对于跨度小于430m的斜拉桥,在静力平衡位置进行线性动力分析具有足够的精度。
本文运用SAP2000-plus(ComputersandStructures1995)建立了该桥的线性三维有限元分析模型,如图6所示。
桥塔、加强板、钢箱梁的U形肋梁均用线性3D梁单元来模拟,每个节点有6个自由度(DOF)。
主梁和PC箱梁的横隔梁和钢箱梁用四节点的壳单元来模拟。
斜拉索则用每个节点有三个自由度的杆单元来模拟。
每个单元的主要参数,包括材料和几何特性均采用原设计资料。
所有的荷载均用作用在壳单元上的等效分布力来模拟。
桥墩A1的支承条件,桥塔基础和P2墩分别假设为铰接,固结和转动。
桥面系和桥塔横梁的连接用纵向旋转和横向铰接来模拟。
现场静载试验结果
为研究桥梁的基本特征,以集中荷载和分布荷载的方式进行了多种荷载条件的模拟。
下面用主梁的挠度,PC箱梁的纵向应变和索力的变化来研究桥梁的反应。
气温—主梁挠度
为了避免气温对荷载试验结果的影响,在试验进行前一天的7:
00a.m.到17:
00之间,每隔两个小时对主梁的变形进行依次测量;PC箱梁的挠度变化最大值为18cm,而钢箱梁为45cm,变化发生在11:
00a.m.到13:
00p.m.之间。
PC箱梁的变形从向上弯曲到向下弯曲变化,而钢箱梁则相反。
因此,在试验时,自动倾卸卡车每隔两小时就要开离桥面,然后从新测定桥梁初始状态,作为当前试验的基础。
荷载—主梁挠度
当24辆卡车停留在钢箱梁和PC箱梁的南行车道上的预计位置时,分析所得的和测量的主梁变形如图8所示。
荷载工况LC1—3相当于运营状态下钢箱梁60%的车道扭转荷载,而荷载工况LC1—6则相当于运营状态下PC箱梁110%的车道扭转荷载。
设计这些荷载工况是为了研究桥梁在分布扭矩作用下的反应。
在LC1—3作用下测得的钢箱梁南行和北行车道防撞块的最大挠度发生在距桥墩A1378m处,分别为47.2和30cm,在同样荷载工况下,测得的PC箱梁南行和北行车道防撞块的最大挠度发生在距桥墩A172m处,分别为12.1和11.4cm。
由于主塔连接横梁上的三个瓶形支承的作用,钢梁扭转的影响没有传递到PC箱梁上,只有弯曲变形的影响传递到了PC箱梁内。
当24辆自动倾卸卡车停留在PC箱梁上的南行车道上时(LC1—6),也出现了相似的现象,模拟了PC箱梁的扭转效应,但只有弯曲效应传递到了钢梁内。
当24辆卡车停留在钢箱梁和PC箱梁的南行和北行车道上的预计位置时,分析所得的和测量的主梁变形如图9所示。
荷载工况LC1—9相当于运营状态下PC箱梁55%的车道弯曲荷载,而荷载工况LC1—12则相当于运营状态下钢箱梁30%的车道弯曲荷载。
设计这些荷载工况是为了研究桥梁在分布弯矩作用下的反应。
在LC1—12作用下测得的最大挠度发生在距桥墩A1378m处,为38cm,在LC1—12作用下测得最大挠度发生在距桥墩A172m处,为11cm。
此外,在LC1—3作用下测得的钢箱梁南行和北行车道防撞块的平均挠度与LC1—12大致相等,对于LC1—6与LC1—9也出现了类似现象。
这个有趣的现象说明,高屏溪斜拉桥的PC箱梁与钢箱梁均具有较好的抗扭刚度。
从图8和图9可以看出,3D有限元模型可以精确的模拟实桥的弯曲和扭转行为。
根据AASHTO(1996)的规定,在设计单跨或多跨构件时,运营时活载和冲击荷载作用下的挠度应不超过跨度的1/800,对高屏溪斜拉桥来说,相当于钢箱梁的挠度不超过41.3cm和PC箱梁的挠度不超过22.5cm。
当仅30%的运营状态下车道弯曲荷载作用在钢箱梁上时,测得的钢箱梁和PC箱梁的挠度分别为38cm和12cm。
很明显,当运营状态下全部荷载作用在钢箱梁上时,主梁挠度将会都超过AASHTO规定的限值。
与设定挠度限值不同,ACSE(1992)在斜拉桥设计指导原则中,将最大倾角变化设定为2%,其中已经考虑了P-△效应的影响。
中国的试行高速公路斜拉桥设计规范(1996)指出最大挠度对钢箱梁和PC箱梁分别为不超过跨度的1/400和1/500。
本桥的3D有限元模型分析所得的在运营状态活载作用下钢梁和PC梁的最大挠度分别为110cm和31cm,最大倾角变化分别为1.2%和0.4%,小于ASCE的斜拉桥设计指导原则中规定的限值2%。
在荷载工况LC1—3的分布扭矩即荷载工况LC4-1到LC4-4所示集中扭矩的组合作用下,测得的主梁南行车道防撞块处的挠度如图10所示。
荷载工况LC1—3下测得的挠度值与荷载工况LC4-1到LC4-4分别作用下的挠度值之和接近。
显然,在设计的荷载条件下,高屏溪斜拉桥的主梁扭转行为具有线性叠加的特性。
相似的线性叠加特性在LC1—6分布扭矩作用下和LC4-5到LC4-8的集中扭矩作用下的挠度测量中也可以观察到,如图11所示。
荷载——PC箱梁应变
图12比较了13个PC箱梁阶段在荷载工况LC1-6的分布扭矩荷载试验和LC1-9的分别弯矩荷载试验中测得的弯曲应变与分析所得的内部应变分布。
因为应变计安装在PC箱梁的内部钢筋网中而且如荷载——箱梁挠度部分所述,箱梁具有很好的抗扭刚度,在荷载工况LC1-6的分布扭矩荷载作用下测得的箱梁顶部和底部的弯曲应变与弯曲荷载工况LC1-9作用下的基本相同。
此外,计算结果与实测结果吻合得也很好。
在图12中值得注意的是,箱梁上下翼缘的零弯曲应变并不发生在同一位置,这是由于大约为-5×10-6的轴向压应变的影响。
与荷载工况LC1-9下的索力变化(见下节)相应的主梁轴力的变化不是很大。
主梁的反弯点在距A1桥塔大约160m处。
测得的箱梁底部弯曲应变与顶部弯曲应变的比值大约为1.7,这与混凝土重心到下翼缘和上翼缘的距离比相等。
从图9和图12可以看出,PC箱梁最大弯曲应变的位置距桥塔42m,而最大挠度出现的位置距桥塔72m,它们并不相同,这是由于主梁是由拉索和桥墩A1,桥塔和P2墩共同支承的。
荷载——索力变化
基于弦振动理论的索力测量方法已经成功的运用到了斜拉桥中(Casas1994;Zuietal.1996;Cunhaetal.2001)如式
(1)所示。
(1)
其中,n=斜拉索振型阶数;
为n阶模态的频率;L为拉索长度;w为单位长度拉索的重量。
运用弦振动理论时,拉索的有效长度和自振频率是重要的参数,它们对索力计算的准确性有很大影响。
试验中用环境随机振动法对六根斜拉索索力变化进行了监控并与施工阶段的液压千斤顶的拉力进行了比较。
比较结果显示,高屏溪斜拉桥用于弦振动理论中的拉索有效长度为拉索两端橡胶密封圈与将军帽中点的距离,如图13所示(B和B),相当于实际索长的88%—96%(Chang2001)。
在确定了有效长度之后,将第二到第六阶的自振频率代入式
(1),平均索力就可以从拉索的FFT功率谱确定出来,如图14所示。
图15比较了荷载工况LC1-9的分布弯矩作用下的索力与相应的荷载工况LC4-9到LC4-12的集中弯矩作用下的索力变化。
从图中可以看出,索力的变化也具有线性叠加特性。
该桥的3D模型分析结果显示,在运营活载作用下被测斜拉索的应力
不超过拉索极限强度
(GUTS)的0.45倍,如表2所示。
这也满足ASCE(1992)斜拉桥设计指导原则中规定的0.45GUTS。
每根拉索就像一个弹性支座一样,所以如前所述,本桥在运营荷载作用下具有线性叠加特性。
尽管弦振动理论可以用来高效而精确的测量索力,但这种方法需要特殊的测试仪器以及更高水平的分析技术。
此外,在施工阶段,对所有的斜拉索都用这种方法测量是比较困难的。
如图16所示,3D模型的计算结果与测量结果吻合很好。
因此,通过现场静载试验校正桥梁的三维有限元模型既经济有大大有益于日后的桥梁维护
结论
1)本文叙述了为期两天的静载试验结果和3D有限元分析结果。
共进行了40个荷载测试。
从测试结果和讨论中可以得到关于高屏溪斜拉桥的如下几个结论:
2)在设计的荷载条件下,主梁的变形和斜拉索索力变化都具有线性叠加的特性。
3)在运营荷载条件下,计算所得的斜拉索的应力不超过拉索极限强度(GUTS)的0.45倍,满足ASCE斜拉桥设计指导原则中规定的0.45GUTS。
4)建立了一个可以准确预测斜拉桥在本文所述荷载状态下结构反应包括主梁挠度,纵向弯曲应变和拉索索力变化的3D有限元模型。
该有限元模型分析所得的在最大运营状态活载作用下主梁的最大倾角变化为1.3%,小于ASCE的斜拉桥设计指导原则中规定的限值2%。
5)在运用弦振动理论计算索力时,拉索的有效长度和自振频率是很重要的参数,因为它们对索力计算的精度有很大的影响。
对于施工阶段的环境随机振动法,拉索的有效长度大约为拉索两端橡胶密封圈与将军帽中点的距离,相当于拉索实际长度的88-96%。
致谢
作者衷心感谢台湾地区国家高速公路工程局(TANEEB)和中国工程咨询有限公司提供了进行此项研究的机会。
另外,感谢高屏溪桥集团公司(TaiseiCorporation,KawadaCorporation,PanAsiaCorporation,andRaitoCorporation)在试验进行期间给予的帮助。
参考文献
见附录2中外文原文
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