下承式拱桥吊杆轴力监测与模拟分析研究

时间：2024-06-19

刘庞砣，勾风山，张俊平，陈炳聪

（1.广州大学土木工程学院，广州510006；2.广州广大工程检测咨询有限公司，广州510006）

0 引言

下承式、中承式拱桥的吊杆，是把桥面系的恒载与活载传递到拱肋的关键受力构件，它的使用性能正常与否，关系到桥梁的整体寿命和安全运营。吊杆同时受到温度、车辆荷载等因素的共同作用，导致其受力比较复杂且难以准确预测，因此吊杆是下承式拱桥比较薄弱、容易失效的环节，一些工程事故如宜宾小南门金沙江大桥吊杆断裂也说明了这一点。目前，我国相当一部分拱桥进入吊杆更换的高峰期，但在吊杆的运营、维护、更换、修复过程中，大多依据主观判断，缺乏监测、模拟数据的支持，也未能形成一套完善的准则［1－2］。基于此，本文对某下承式拱桥吊杆内力进行了监测与模拟分析，为今后吊杆可靠度评估积累数据，同时也为实际工程提供参考。

1 工程实例简介

某大桥为单孔128m的钢管混凝土刚架系杆拱桥，竣工日期为2005年，设计荷载汽—超20、挂—120级，主跨128m，全桥共设2×23对吊杆，吊点中心间距为5m，采用85φ7镀锌高强度低松弛钢丝组成，标准强度1 670MPa，吊杆上下端均采用可调式冷铸镦头锚，吊杆编号见图1。该桥位于城市过境干线上，交通较为繁忙，通行重车较多，据统计白天最大车流量可达2万辆。在如此大的交通流量的情况下，作为拱桥的关键受力构件的吊杆能否正常服役成为备受关注的问题，为此，我们对吊杆轴力进行了监测与模拟分析。

图1 桥梁立面图/cm

2 实测吊杆轴力日、轴变化分析

2.1 吊杆轴力24小时变化情况

吊杆轴力长期监测采用振动频率法，通过安装的加速度传感器来实现。轴力监测的采样频率可分为2种：一种是无人值守的情况下设定采样频率，另一种是特殊情况下可进入人工值守模式采样频率，人为而定。因为6＃及12＃吊杆分别位于该拱桥的L/4及L/2位置处，其轴力变化具有较全面的代表性，监测时以北侧吊杆为主，吊杆轴力值日变化趋势图选取2012年6月25日轴力监测数据，见图2～3。

图2～3表明轴力在一天内的变化趋势为：夜间轴力值较低，白天轴力值处于相对较高值，白天轴力值与夜间轴力差值一般不会超出100kN，这与温度的变化和车流量变化有很大的关系，不同吊杆在同一时间段内的轴力值及其变化规律基本一致，在上午9点之后，轴力呈缓慢上升趋势，至下午3点以后，轴力有下降趋势。

图2 6＃—北侧实测轴力日变化趋势图

图3 12＃—北侧实测轴力日变化趋势图

2.2 吊杆轴力一周变化情况

现以典型的6＃、12＃北侧吊杆为例，吊杆索力值周变化趋势图选取2012年7月23日—7月30日轴力监测数据，见图4～5。

图4 6＃—北侧实测轴力日变化趋势图

图5 12＃—北侧实测轴力日变化趋势图

2.3 吊杆轴力最值1周变化情况

现以典型的6＃、12＃北侧吊杆为例，吊杆轴力值日变幅趋势图选取2012年7月1日—7月31日轴力监测数据，日最小值为该吊杆一天内的最小索力值、日均值为该吊杆一天内的平均值、日最大值为该吊杆一天内的最大轴力值，见图6～7。

从上图看轴力日变幅保持在一定的范围内，日最大值与日最小值的差值与日平均值的比例一般不会超过15%。

图6 6＃—北侧实测轴力日变幅趋势图

图7 12＃—北侧实测轴力日变幅趋势图

3 模拟吊杆轴力与实测分析

3.1 有限元模拟

建立该桥有限元计算模型，见图8，并提取吊杆轴力影响线，之后选取不同的荷载谱对影响线进行加载，最终得到模拟的应力历程曲线［3－5］，与实测的应力历程曲线进行比较分析。其中，荷载谱为选取上海模型车辆荷载频值谱、广州市高架桥模型车辆荷载频值谱、天津市模型车辆荷载频值谱［6－8］，以下简称上海、广州、天津荷载谱来进行分析，分别为见表1～3。

图8 大汾北特大桥有限元计算模型

表1 上海模型车辆荷载频值谱

表2 广州市高架桥模型车辆荷载频值谱

表3 天津市模型车辆荷载频值谱

3.2 吊杆轴力历程曲线模拟

建立该依据随机模拟函数理论，选取不同的荷载谱对影响线进行加载，可得模拟轴力历程曲线，并与实测历程曲线进行比较分析，以6＃北侧为例，见图9～11。

图9 上海荷载频值谱下6＃—北侧吊杆模拟轴力历程曲线

图10 广州荷载频值谱下6＃—北侧吊杆模拟轴力历程曲线

图11 天津荷载频值谱下6＃—北侧吊杆模拟轴力历程曲线

3.3 实测吊杆轴力历程曲线

建立该依据随机模拟为了进一步确定模拟索力的可靠性，需要一组实测轴力历程曲线与之对比，以6＃北侧的吊杆为例，实测轴力历程曲线见图12。

比较图9～12可以看出，模拟结果是可靠的，但不同荷载谱对模拟结果影响较大，一些荷载谱如广州谱受交通管理措施的影响明显偏小，采用天津荷载谱的模拟结果更接近于实际情况，这可能是因为天津荷载谱交通量调查路段选为外环线路段，与该桥路段所处的外环路段车流运营更加接近，且天津市荷载谱是在2008年统计得到的荷载谱，是距离现在年份最近的荷载谱，在一定程度上来讲，天津市的荷载谱可以用于并预测评估今后吊杆的寿命及可靠度。

图12 6＃—吊杆北侧部分实测应力历程曲线

依据上图，广州市荷载谱模拟结果比实测小，天津市荷载谱模拟的结果与实测的接近，且轴力幅值变化与实测结果量值上不超过5%，但模拟与实测结果的变化态势不太一致，实测结果随时间稳增，原因其实是温度影响，为了进一步了解温度的效应影响，所以有必要对温度进行剥离研究。

4 恒载、温度效应的剥离

4.1 温度效应的剥离

温度剥离的思路是：在温度相对较高的月份的某一时刻，采用短暂性的封闭交通来测得吊杆的轴力，在温度相对较低的月份的某一时刻，采用短暂性的封闭交通再次对吊杆的轴力进行实测，两次轴力间的差值，即是吊杆的纯温度效应。另外一种剥离思路是：在温度相对较高的某一月份一整月的某一时间段内，测得吊杆的轴力值，然后取平均值，在温度相对较低的某一月份一整月的某一时间段内，再次测得吊杆的轴力值，然后取平均值。

该监测系统是在2012年3月末完成的，尚未能对温度最低月份的1月份进行数据的监测分析，需要来年1月份才能进行监测，所以截止目前为止，温差较大的月份分别取4月份与7月份。以下取4月份与7月份这一整月内在上午10：00至下午17：00的实测轴力平均值，因为是长达一个月的连续实测的平均值，可近似认为活载效应在这一时间段内是一致的。即活载位于同一水平线上，而10：00～17：00也是温度变化较明显的时间段。以6＃北侧为例，见图13～14。

从上表看，4月份与7月份的温度变化趋势与轴力变化趋势大致一致，吊杆的轴力随着温度的升高而升高，当温差为5℃左右，而相应的轴力变化为30kN左右，占活载吊杆轴力的15%～20%，可见温度效应是很大的。

图13 4、7月份吊杆平均轴力变化趋势图

图14 4、7月份平均温度变化趋势图

4.2 恒载效应的剥离

吊杆在活荷载作用下的轴力会发生较大的变化，从而引起应力幅发生变化，而应力幅与吊杆寿命有密切的关系。因此有必要研究恒载、活载单独作用下的吊杆内力，得到吊杆恒活比。

进行恒、活荷载剥离的思路是：采用短暂性的封闭交通来测得吊杆的轴力，开放交通后再进行吊杆的轴力的实测，因前后实测吊杆所用的时间极短，可认为开放交通前后的温度基本无变化，两次轴力间的差值，即是实测情况下纯活载的荷载效应。依据上述方法，实测典型吊杆的恒载、活载轴力见图15。

图15 典型吊索的恒载及最不利活载索力比较

图15表明，恒载占结构总体内力的比重较大，而活载仅为恒载的30%左右，温度上升5℃产生的吊杆轴力约占恒载吊杆轴力的5%～6%，这与大跨径拱桥结构内力特性也较为吻合。另一方面，鉴于拱桥吊杆的容许应力并无明确的规范，一般多参照斜拉桥设计规范中关于斜拉索容许应力小于0.4倍抗拉强度、活载应力幅小于的0.05倍抗拉强度规定，根据实测结果换算，不同吊杆下活载应力幅度均在70MPa以下，而恒、活载作用下吊杆的应力均在200MPa以下，远小于容许应力限值668MPa，说明容许应力限值满足其参照的斜拉桥规范要求。